弗里茨·沃尔夫冈·伦敦1900年3月7日出生于德国布雷斯劳（现波兰弗罗茨瓦夫）的一个犹太知识分子家庭。他在慕尼黑大学、波恩大学、法兰克福大学学习，最初学哲学，后转物理学，1921年在索末菲指导下获博士学位。

1927年，伦敦与瓦尔特·海特勒在苏黎世合作，对氢分子(H₂)进行了首次量子力学计算。他们运用海森堡和薛定谔的新量子力学，成功解释了两个氢原子如何通过共价键结合成氢分子，计算的键能和键长与实验值基本一致。这一工作开创了量子化学这一新学科，化学键从此有了严格的量子力学基础。伦敦还提出了色散力（伦敦色散力）的量子力学理论。

纳粹上台后，伦敦因犹太血统于1933年被迫离开德国，先到英国牛津大学，1939年到美国杜克大学任理论化学教授。1935年他在牛津与弟弟海因茨·伦敦合作，提出了描述超导体电磁性质的伦敦方程，正确预言了迈斯纳效应，并推导出磁场穿透深度的概念。伦敦方程还预言了磁通量子化，这一预言1961年才被实验证实。

1938年，卡皮查发现液氦的超流性后，伦敦立即提出超流动性是玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)的宏观量子现象，这一解释后来成为超流理论的基础。伦敦的工作建立了宏观量子现象（超导、超流）的理论框架。

伦敦一生被提名诺贝尔奖超过20次，但始终未获奖，这被认为是诺贝尔物理学奖史上最令人遗憾的遗漏之一。1954年3月30日因心脏病在北卡罗来纳州达勒姆去世，年仅54岁。国际纯粹与应用物理学联合会设有伦敦奖以纪念他。