Après avoir grandi à Newport Beach, en Californie, Frank Marshall étudie à l'UCLA et y fait la connaissance du futur cinéaste Peter Bogdanovich. Celui-ci l'engage sur ses premiers films, d'abord comme assistant sur La Cible (1968), puis comme régisseur sur La Dernière séance (1971) et On s'fait la valise, docteur ? (1972). Frank Marshall devient par la suite producteur associé sur Paper Moon (1973) et Nickelodeon (1976). Il travaille par ailleurs sur The Other Side of the Wind (1972), le film inachevé d'Orson Welles, dont il assure le suivi de production, ainsi que sur le documentaire de Martin Scorsese sur le groupe The Band, The Last Waltz (1978). Il collabore ensuite avec Walter Hill comme producteur associé sur Driver (1978), puis assure la production exécutive de son film suivant, Les Guerriers de la nuit (1979).

C'est en 1981 avec Les Aventuriers de l'Arche perdue que Frank Marshall fait pour la première fois équipe avec Steven Spielberg et Kathleen Kennedy. Il est cité à l'Oscar du Meilleur film en 1982 en tant que producteur du film. Après E.T. l'extraterrestre, dont il est superviseur de production, et Poltergeist, dont il est producteur, il fonde Amblin Entertainment avec Spielberg et Kennedy. C'est par le biais de cette société qu'il produit notamment Le Secret de la pyramide (1985) de Barry Levinson, L'Aventure intérieure (1987) de Joe Dante et Qui veut la peau de Roger Rabbit ? (1988) de Robert Zemeckis. Frank Marshall est à nouveau cité à l'Oscar aux côtés de Steven Spielberg, Quincy Jones et de sa femme Kathleen Kennedy pour avoir produit La Couleur pourpre (1985).

A l'automne 1991, il quitte Amblin Entertainment pour se consacrer à la réalisation, une discipline dans laquelle il a excellé l'année précédente avec le terrifiant Arachnophobie. Avec Kathleen Kennedy, il fonde The Kennedy/Marshall Company. En 1993, Les Survivants, son deuxième long métrage en tant que metteur en scène, est aussi la première production de la société. Avec cette histoire vraie du crash d'un avion en pleine Cordillière des Andes et son corollaire - l'anthropophagie -, Frank Marshall confirme ainsi ses talents de cinéaste. Habitué des tournages en milieu extrême, il adapte, deux ans plus tard, le best-seller de Michael Crichton, Congo, dont l'action se déroule cette fois-ci dans le fin fond de l'Afrique Noire.

Les dix années suivantes, Frank Marshall les consacre exclusivement à son activité de production, liant son nom à certains films spectaculaires et audacieux comme Sixième sens (2000) et Signes (2002) de M. Night Shyamalan, La Mémoire dans la peau (2002) de Doug Liman ou encore La Mort dans la peau (2004) de Paul Greengrass. Mais en 2005, il se montre prêt à braver le grand froid pour le tournage de son nouveau film d'aventure Antartica qu'interprète la star montante Paul Walker.