Né dans le Bronx à New York en 1912, jeune, Frank a travaillé à Wall Street pendant son adolescence mais le grand Krach boursier de 1929 lui a coûté son emploi. Ne voulant pas faire partie des nombreux chômeurs, Lovejoy joue dans les tournées entreprises à travers le nord-est des États-Unis avant de faire ses débuts à Broadway en 1934. Il perçe dans le monde de la radio, avec des émissions telles que Gangbusters, Night Beat ou Damon Runyon Theater.
Après 14 ans à la radio, Frank Lovejoy commence sa carrière au cinéma en 1948 dans son premier film Bandits de grands chemins où il joue le rôle de Mark Lorimer qui le révéla au grand public. Il est connu pour ses rôles de détectives et aussi dans celui de Gilbert Bowen, l'un des deux automobilistes pris en otage par un meurtrier psychopathe dans le film noirLe Voyage de la peur de 1953, réalisé par Ida Lupino, ou pour ses rôles dans des films de guerre tels que Le grand assaut en 1950 ou Retreat, Hell!(en) en 1952 et dans certains western.
Pendant ces mêmes années, il joue dans son propre TV shows, L'homme contre le crime en 1956 et Meet McGraw en 1957. Quelques années plus tard, alors qu'il a son étoile sur le Walk of Fame, Frank Lovejoy meurt d'une crise cardiaque à New York en 1962 à l'âge de 50 ans. Il est enterré au cimetière de Holy Cross à Culver City en Californie.
