Née en 1930 à Washington, Frances Sternhagen débute sa carrière en enseignant le théâtre, le chant et la danse à la Milton Academy, dans le Massachusetts, avant de monter elle-même sur scène et d'entamer un prestigieux parcours sur les planches de Broadway, au milieu des années 50.

En parallèle de son activité théâtrale (qui lui vaudra 7 nominations aux Tony Awards, dont 2 se concrétiseront), la comédienne enchaîne également les petits rôles à la télévision puis au cinéma.

C'est à partir des années 90 que Frances Sternhagen décroche ses rôles les plus marquants à l'écran. Côté séries, on peut ainsi la voir interpréter la grand-mère du Dr Carter (incarné par Noah Wyle) dans Urgences, Bunny, la mère de Trey MacDougal (Kyle MacLachlan), dans Sex & the City, et Willie Rae Johnson dans The Closer.

Sur grand écran, elle donne tour à tour la réplique à James Caan dans Misery (réalisé par Rob Reiner et adapté du roman de Stephen King), à Sean Connery dans Outland de Peter Hyams, à John Lithgow dans L'Esprit de Caïn de Brian de Palma et à Christopher Walken dans Communion.

En 2008, on peut également la voir au casting de The Mist de Frank Darabont, là encore adapté d'une œuvre de Stephen King.

Actrice de 1955 à 2014, Frances Sternhagen s'est éteinte en novembre 2023 à l'âge de 93 ans.