Elle est née d'une mère pianiste et d'un père physicien nucléaire. Sa famille a déménagé à Perth en Australie, lorsqu'elle avait deux ans. Frances O'Connor a fréquenté le Collège de Perth, puis la Western Australian Academy of Performing Arts. Elle a obtenu un baccalauréat en littérature à l'Université de technologie de Curtin en Australie-Occidentale. Frances O'Connor et son compagnon de longue date, Gerald Lepkowski(en), ont un fils, Luka, né en .[réf. souhaitée]