Сын деревенского мельника, Франц фон Штук учился в Королевской школе искусств и ремёсел в Мюнхене, а затем в мюнхенской Академии художеств. Фон Штук увлекался новыми художественными техниками и жанрами и вместе с Вильгельмом Трюбнером основал в 1892 г. Мюнхенский сецессион.
С 1895 г. Штук — профессор Академии художеств, среди его учеников — Василий Кандинский, Пауль Клее, Йозеф Хенгге, Георг Карс, Пауль Штолльрайтер и Генрих Штриффлер. В 1906 г. Франц фон Штук получил дворянский титул. В одном ряду с Францем фон Ленбахом и Фридрихом Августом фон Каульбахом фон Штук является ярким представителем мюнхенской школы изобразительного искусства.
Вдохновлённый творчеством Арнольда Бёклина, Штук писал паряще-нереальные картины на сюжеты из мира фантазий и аллегорий, символические образы, как, например его «Грех» (1893) и «Война» (1894). Многие из его крупноформатных произведений отличает двусмысленно-эротическая атмосфера. Картины фон Штука, изображавшие часто обнажённые женские и мужские тела, получили в викторианскую эпоху у публики необычайно сильное художественное восприятие со слегка «истерическими» чертами.
Воззрения фон Штука на целостное художественное произведение отражает построенная в 1898 г. на Принцрегентенштрассе (нем. Prinzregentenstra?e) в мюнхенском районе Хайдхаузен вилла Штука с мебелью по собственным эскизам и скульптурами. За свои достижения в 1928 г. незадолго до смерти фон Штуку был присвоено звание почётного доктора Мюнхенского технического университета. В настоящее время на вилле размещается художественный музей.
Фон Штук похоронен в кладбище Вальдфридхоф в Мюнхене.
Грех. 1893. Новая пинакотека. Мюнхен
Саломея. 1906. Городская галерея в доме Ленбаха. Мюнхен
Юдифь и Олоферн. 1927. Собрание Отто Хайльманна. Мюнхен
Мари в красной шляпке. 1902. Частная коллекция. Мюнхен
Тилла Дюрье в образе Цирцеи. 1889. Старая национальная галерея. Берлин
Сусанна и старцы. 1913. Частная коллекция
Хоровод. 1910. Частная коллекция
Весна. 1909. Музей земли Гессен. Дармштадт