Фред Хойл родился 24 июня 1915 года в городке Бингли в Йоркшире. Он с детства увлекался астрономией, окончил Кембриджский Университет с дипломом по математике и теоретической физике и затем работал в нем вместе с Рудольфом Пайерлсом и Полем Дираком. В конце 1930-х годов работал над теорией эволюции звёзд с Рэем Литтлтоном. Во время Второй мировой войны работал в Британском Адмиралтействе над созданием противорадарных систем. Преподавал астрономию в Кембридже, Калифорнийском технологическом институте и Корнелле, работал в Паломарской обсерватории и обсерватории Маунт Вилсон. Вместе с Мартином Шварцшильдом разработал теорию эволюции «красных гигантов». Теоретически предсказал впоследствии экспериментально подтвержденное явление ядерного резонанса в углероде-12. В 1948 году вместе Германном Бонди и Томасом Голдом разработал стационарную модель Вселенной, которая постулирует независимость процессов появления материи и расширения Вселенной. Считается, что именно Хойл впервые употребил быстро ставший расхожим термин «Большой Взрыв», обозначив им модель, альтернативную его собственной. Он также являлся убежденным сторонником теории «панспермии» (распространения жизни во Вселенной через органические «споры», переносимые через межзвездное пространство).
Был президентом Королевского астрономического общества.
За вклад в науку Фред Хойл в 1972 году был возведен в рыцарское достоинство. Он также был лауреатом премии Калинги от ЮНЕСКО за популяризацию науки (1968), Золотой медали Лондонского королевского астрономического общества (1968), медали им. К. Брюс Тихоокеанского астрономического общества (1970), Королевской медали Лондонского королевского общества (1974), премии Крафорда Шведской академии наук «за пионерский вклад в исследование звездной эволюции и ядерных процессов в звездах» (1997).
Помимо более чем двадцати научных и научно-популярных книг, Фред Хойл написал также несколько научно-фантастических романов — «Чёрное облако» («The Black Cloud», 1957), «Оссианский бег» («Ossian’s Ride», 1958), «Первого октября будет поздно» («October the First Is Too Late», 1966), «Комета Галлея» («Comet Halley», 1985). В 1962 году вышла написанная им совместно с Джоном Эллиотом новеллизация телесериала «A for Andromeda», изданная на русском языке под названием «Андромеда» в серии «Зарубежная фантастика» в 1966 году. Несколько романов — «Пятая планета» («Fifth Planet», 1963), «Семь ступеней к Солнцу» («Seven Steps to the Sun», 1970), «В глубины космоса» («Into Deepest Space», 1974) и другие — написаны им в соавторстве с сыном Джеффри Хойлом. В 1967 году был также издан его сборник «Элемент 79» («Element 79»).
Сэр Фред Хойл скончался 20 августа 2001 года на 87-м году жизни в Борнмуте, графство Дорсет.