ז'וליו-קירי נולד בפריז. הוא בוגר בית הספר לכימיה ולפיזיקה של העיר פריז. בשנת 1925 הוא הפך לעוזרה של מארי קירי במכון הרדיום בפריז. הוא התאהב בבתה של מארי, אירן ז'וליו-קירי, והתחתן עמה בשנת 1926. שני בני הזוג שינו את שם משפחתם לז'וליו-קירי. בהתעקשותה של מארי, ז'וליו רכש תואר ראשון נוסף ודוקטורט במדעים. נושא התזה שלו היה אלקטרוכימיה של אלמנטים רדיואקטיביים.
בעודו מחזיק במשרת מרצה בפקולטה למדעים של פריז, הוא שיתף פעולה עם אשתו במחקר על מבנה האטום ובאופן מיוחד על גרעין האטום, מחקר שהיווה את אבן הפינה לגילוי הנייטרון והפוזיטרון. הישגם הגדול ביותר היה גילוי הרדיואקטיביות המלאכותית בשנת 1934. על תגליתם זו הוענק לפרדריק ולאשתו אירן, בשנת 1935, פרס נובל לכימיה.
בשנת 1940, עם הפלישה הנאצית לצרפת, הצליח ז'וליו להבריח לאנגליה בעזרת קוברסקי ופון הלבן את מסמכי המחקר שניהל וחומרים אחרים. בתקופת הכיבוש הנאצי הוא השתתף באופן פעיל בפעולות תנועת ההתנגדות הצרפתית. לאחר תום המלחמה הוא שירת כמנהל המרכז הלאומי למחקר מדעי של צרפת (Centre national de la recherche scientifique) ומילא לראשונה את תפקיד המפקח העליון על האנרגיה האטומית בצרפת. בשנת 1948 הוא פיקח על בנייתו של הכור האטומי הצרפתי הראשון. בשנת 1950 הוא פוטר מתפקידו זה בגלל הזדהותו עם הקומוניזם. בשנת 1955 הוא נמנה עם אחד-עשר החותמים על מניפסט ראסל-איינשטיין, הצהרה שנחתמה בשיא המלחמה הקרה, הפנתה את תשומת הלב לסכנות המלחמה האטומית וקראה לפתרון סכסוכים בין מדינות בדרכי שלום. למרות שהמשיך להחזיק במשרתו כפרופסור בקולז' דה פראנס, לאחר מות אשתו בשנת 1956, הוא נטל את משרתה כראש הקתדרה לפיזיקה גרעינית בסורבון.
פרדריק ז'וליו היה חבר באקדמיה הצרפתית למדעים ובאקדמיה הצרפתית לרפואה. הוענקה לו דרגת כבוד בלגיון הכבוד. בשנת 1951 הוא קיבל בברית המועצות את פרס לנין לשלום על עבודתו כנשיא מועצת השלום העולמית. הוא הקדיש את אחרית ימיו ליצירת מרכז לפיזיקה גרעינית בעיירה אורסה מדרום לפריז.
