Франц Ксавер Винтерхальтер родился 20 апреля 1805 года в маленькой деревне Менценшванда (ныне часть г. Санкт-Блазина) в Шварцвальде, Баден. Он был шестым по счёту ребёнком в семье Фиделя Винтерхальтера, фермера и производителя смолы, и его жены Евы Мейер, происходившей из старинного рода Менценшванд. Его крестьянского происхождения отец оказал значительное влияние на жизнь художника. Из его восьми братьев и сестёр четверо умерли в детстве. На протяжении всей жизни Винтерхальтер оставался очень близок со своей семьёй, и в особенности, со своим братом Германом (1808—1891), который также был художником.
После окончания школы при бенедиктинском монастыре в Блазине в 1818 году тринадцатилетний Винтерхальтер покидает Менценшванд, чтобы изучать рисование и гравировку. Литографии и рисованию он обучался во Фрайбурге на студии Карла Людвига Шулера (1785—1852). В 1823 году, когда ему было восемнадцать лет, при содействии промышленника барона von Eichtal он уезжает в Мюнхен. В 1825 году удостаивается стипендии от великого герцога Баденского и начинает курс обучения в Мюнхенской академии художеств под руководством Петера Корнелиуса, чьи методы преподавания, однако, оказываются для молодого художника неудобными, и Винтерхальтеру удётся найти другого более подходящего руководителя в светской портретной живописи — Йозефа Штилера. В эти годы Винтерхальтер зарабатывает на жизнь литографией.
Вступление Винтрехальтера в придворные круги состоялось в 1828 году, когда он становится учителем рисования графини Баденской Софии в Карлсруэ. Благоприятный случай заявить о себе вдали от южной Германии пришёл к художнику в 1832 году, когда у него при поддержке великого герцога Леопольда Баденского появилась возможность путешествия в Италию (1833—1834). В Риме он пишет картины романтического жанра в стиле Луи-Леопольда Робера и сближается с директором Французской академии Орасом Верне. По возвращении в Карлсруэ Винтерхальтер пишет портреты великого герцога Леопольда Баденского и его жены и назначается придворным художником герцога.
Тем не менее он покинул Баден и уехал во Францию, где на выставке 1836 года привлекла внимание его жанровая картина Il dolce Farniente, а годом позднее похвалы была удостоена и Il Decameron. Обе работы представляют собой академические живописные произведения в стилистике Рафаэля. На Салоне 1838 года им был представлен портрет принца Ваграмского с юной дочерью. Затем он пишет Луизу-Марию Орлеанскую, королеву Бельгийскую с сыном. Возможно, благодаря этой картине Винтерхальтер стал известным Марие-Амалии Неаполитанской, королеве Франции, матери бельгийской королевы.
В Париже Винтерхальтер быстро заслужил репутацию модного художника. Он был назначен придворным художником Луи-Филиппа, короля Франции, который доверил ему создание индивидуальных портретов своей многочисленной семьи. Винтерхальтеру предстояло выполнить для него более тридцати заказов.
Этот успех принёс художнику репутацию знатока династической и аристократической портретной живописи, способного, мастерски сочетая точность портретного сходства с едва уловимой льстивостью, изображать государственную помпезность в живой современной манере.
Однако в художественных кругах репутация Винтерхальтера страдала. Критики, восхвалявшие его дебют на выставке в Салоне 1836 года, отвернулись от него как от художника, которого нельзя воспринимать серьёзно. Это отношение сохранялось на всём протяжении карьеры Винтерхальтера, обрекая его работу стоять особняком в иерархии живописи. Сам Винтерхальтер рассматривал свои первые государственные заказы как временный этап перед возвращением к предметной живописи и восстановлением академического авторитета; он оказался жертвой собственного успеха, и для своего же спокойствия ему приходилось работать почти исключительно в портретном жанре. В этой области он добился немалого успеха, что, в свою очередь, помогло ему разбогатеть. Одновременно Винтерхальтер получил международную славу и покровительство царствующих особ.
Среди множества его королевских «натурщиц» была также и королева Виктория. Впервые Винтерхальтер посетил Англию в 1842 году, а затем несколько раз возвращался туда, чтобы написать портреты Виктории, принца Альберта и их растущей семьи, создав для них в общей сложности не менее 120 работ. Большинство из этих полотен теперь находятся в Королевском собрании и открыты для демонстрации публике в Букингемском дворце и других местах. Также Винтерхальтер написал несколько портретов представителей английской аристократии, в большинстве входивших в придворный круги. Падение Луи-Филиппа в 1848 году не оказало влияния на репутацию художника. Винтерхальтер переехал в Швейцарию, а кроме того, работал по заказам в Бельгии и Англии.
За два года до смерти он переселяется в Париж. Перерыв в поступлении заказов на портреты во Франции позволил ему вернуться к тематической живописи, и он, вдохновлённый испанской легендой, пишет полотно «Флоринда» (1852, музей «Метрополитен», Нью-Йорк), являющее собой радостный праздник женской красоты. В этом же году он решил создать собственную семью, но его предложение руки и сердца было отвергнуто; Винтерхальтер остался холостяком, преданным своей работе.
После вступления на престол Наполеона III популярность художника увеличилась. С этого времени в подчинении Второй империи Винтерхальтер сделался главным портретистом императорской фамилии и французского двора. Красавица императрица Евгения стала его любимой моделью, и сама она великодушно относилась к нему. В 1855 году Винтерхальтер пишет свой шедевр «Императрица Евгения в окружении фрейлин», где изображает её в сельской обстановке, собирающей цветы вместе со своими фрейлинами. Картина была хорошо принята и выставлена для всеобщего обозрения, по сей день оставаясь, пожалуй, наиболее известной работой мастера.
В 1852 году он едет в Испанию, чтобы написать королеву Изабеллу II, работает для португальской королевской фамилии. Приезжавшие в Париж представители русской аристокртии также желали получить свой портрет от известного мастера. Как «королевский художник» Винтерхальтер пользовался постоянным спросом при дворах Британии (с 1841 г.), Испании, Бельии, России, Мексики, Германии и Франции. В последующие годы потребность в его услугах становится ещё больше. В 1856 году он едет в Польшу писать для аристократии там, в 1857 — в Верхнюю Баварию, где пишет портрет царицы Марии Александровны. На протяжении следующих лет, в 1860-е, художник много пишет по заказу русских аристократов.
Во время Второй мексиканской империи, возглавляемой Максимилианом первым, Винтерхальтер получил заказ написать портреты императорской четы. Императрица Мексики Шарлотта Бельгийская была дочерью Луизы-Марии Французской, королевы Бельгии, которую Винтерхальтер писал ещё в начале своей карьеры во Франции. Некоторые из принадлежащих кисти Винтерхальтера портретов мексиканских монархов всё ещё находятся в их дворце в Мехико, где ныне располагается Национальный музей истории.
В 1864 году Винтерхальтер в последний раз съездил в Англию. Осенью того же года он едет в Вену, чтобы выполнить портреты императора Франца-Иосифа и императрицы Элизабет. Во время Франко-Прусской войны, которая закончилась крушением Второй французской империи в сентябре 1870 года, он проходил курс лечения в Швейцарии. После войны художник не вернулся во Францию, отправившись вместо этого в Баден. Официально он всё ещё был приписан ко двору Бадена, и он обосновался в Карлсруэ. В последние два года жизни Винтерхальтер писал очень мало. Во время поездки во Франкфурт-на-Майне летом 1873 года он заразился тифом и умер 8 июля 1873 года. Ему было шестьдесят восемь лет.