Франк родился в немецко-бельгийской семье — его мать была родом из Ахена, отец — из бельгийской деревни Геммених. В 1830 году Франк поступил в Льежскую консерваторию, которую спустя четыре года окончил с отличием по классам сольфеджио и фортепиано. С 1833 по 1835 год он брал частные уроки гармонии у профессора Дассуаня, племянника Этьена Мегюля, который преподавал в Парижской консерватории. Вдохновлённый музыкальными успехами сына, отец Франка смог организовать весной 1835 года серию концертов в Ахене, Льеже и Брюсселе.
В том же году семья перебралась в Париж, где Франк поступил в консерваторию в класс профессора Антонина Рейхи. В 1838, 1839 и 1841 году Франк получил первые премии на выпускных экзаменах по классам фортепиано, контрапункта и органа соответственно. У Франка была возможность участвовать в конкурсе на получение Римской премии, однако по настоянию отца он вернулся в Бельгию, где успешно выступал как пианист и органист-виртуоз.
В Бельгии Франк создаёт первые сочинения: Фортепианное трио (1843) и наброски к оратории «Руфь».
Два года спустя Франк против воли отца вновь уезжает в Париж, где пишет симфоническую поэму «Что слышно на горе» и начинает работу над оперой «Слуга напрокат». В 1853 году он получает место органиста в церкви Сен-Жан-Сен-Франсуа дю Маре. Вдохновлённый искусством известного органиста Жака Лемменса, Франк начинает работать над совершенствованием своего исполнительского мастерства, в частности, техники педалей и импровизации. 1 декабря 1859 года Франку было доверено первое исполнение на только что построенном органе работы знаменитого мастера Аристида Кавайе-Колля в церкви Святой Клотильды. На должности органиста в этой церкви Франк работал до конца жизни.
В 1871 году Парижскую консерваторию покинул руководитель класса органа Франсуа Бенуа, освободившееся место было предложено Франку. Для этого требовалось наличие французского гражданства, и композитор согласился его принять. Официально Франк возглавил класс в феврале 1872 года. Среди его учеников — ряд известных органистов и композиторов, в том числе Венсан д’Энди, Эрнест Шоссон и Ги Ропарц.
С 1874 года Франк создавал многочисленные произведения в различных жанрах — оратории, камерные ансамбли, фортепианные и органные сочинения и др. В 1885 году композитор был награждён Орденом Почётного легиона, а год спустя стал президентом Национального музыкального общества.
Франк умер в 1890 году от плеврита, возникшего после гриппа, похоронен на кладбище Монпарнас.
Франк — один из крупнейших композиторов XIX века. Его творчество оказало влияние на последующее поколение французских композиторов, в том числе на Эрнеста Шоссона, Клода Дебюсси, Мориса Равеля. Франк применял в своих сочинениях принцип так называемого «сквозного развития», основанный на использовании нескольких тем, развивающихся из одной и проводимых во всех частях, и их объединении в финале, что придавало структуре произведения большу?ю устойчивость и законченность. Неотъемлемую часть наследия Франка составляют сочинения для органа — инструмента, которым композитор прекрасно владел. Многие называют его величайшим из композиторов для этого инструмента после Баха. Органные композиции Франка, написанные в типичном позднеромантическом стиле, с многочисленными модуляциями и элементами импровизации, послужили предшественниками масштабных сочинений Шарля Видора, Луи Вьерна, Марселя Дюпре.
Оратории:
Симфонические поэмы: