Nata e cresciuta a Washington, figlia di Gertrude Hussey e John M. Sternhagen, Frances Sternhagen inizia la propria carriera dapprima come insegnante d'arte, per poi debuttare come attrice una piccola compagnia teatrale. All'epoca si cimentò anche come cantante[3]. Il suo lavoro la porta sino ai palcoscenici di Broadway, dove prende parte a numerose commedie. Per quattro volte è candidata al Tony Award, vincendo il premio due volte per le sue performance in The Good Doctor e The Heiress.
Il suo debutto davanti alle telecamere avviene nel 1956 in un episodio della serie televisiva Studio One. Dal 1986 al 1993 interpreta il ruolo della madre iperprotettiva Esther Clavin nella sitcomCin cin. Tuttavia, la Sternhagen ottiene una certa popolarità soltanto in età avanzata, grazie all'interpretazione di Millicent Carter, la nonna del dottor John Carter in diciannove episodi della celebre serie televisiva E.R. - Medici in prima linea.
Nel 1956 sposa l'attore Thomas A. Carlin. Il matrimonio dura fino alla morte di quest'ultimo, avvenuta nel 1991. La coppia ha avuto sei figli: Paul, Amanda, Tony, Sarah, Peter e John[4]. La maggior parte di loro lavora nel mondo dello spettacolo.
