Egy angol kisvárosban, Rendcombe-ban született egy helyi orvos második fiaként. A Bryanston School és a cambridge-i St. John's College elvégzése után B.A. fokozatot szerzett 1939-ben. Pacifistaként a második világháború alatt lelkiismereti okokból visszautasította a katonai szolgálatot és 1940-től kutatásokat folytatott a cambridge-i egyetem biokémiai tanszékén.
Doktorátusi fokozatának megszerzése után, 1943-tól a fehérjék szerkezetének meghatározásával foglalkozott. 10 éven át vizsgálta a borjúból kivont inzulinmolekulát. 1955-re meghatározta a molekula összes aminosavának sorrendjét.
Az aminosav-sorrend meghatározására kidolgozott eljárás alapján számos más fehérje szerkezetét is megállapították. Enzimek segítségével kisebb peptidekre darabolta a meghatározandó fehérjét. A keletkezett kis tagszámú polipeptidek elválasztása kétdimenziós kromatográfia segítségével történt meg. Ez az ún. „fingerprint” eljárás, ilyenkor egy fehérjére jellemző foltmintázat jön létre a kísérlet során. A csak egy peptidet tartalmazó minták aminosavsorrendje már könnyebben meghatározható, de ebből még nem derül ki, hogy az egyes peptidek milyen sorrendben követik egymást. Ezért a fehérjét más hasítási specifitással rendelkező enzimmel is fel kell darabolni, ismét elvégezni a keletkezett peptidek aminosavsorrendjének meghatározását és a két eredményt összehasonlítani.
1980-ban újabb Nobel-díjat kapott (Paul Berggel és Walter Gilberttel megosztva) egy bakteriofágDNS-ében levő nukleotidok sorrendjének meghatározásáért. Ennek a vírusnak a teljes nukleotidsorrendjét határozták meg először a világon. A munka során Sanger ismét új eljárást dolgozott ki: a DNS-molekulát részekre hasította, és ezeknek a bázissorendjét állapította meg.
Módszere azon alapult, hogy először a kettősszálú DNS-ből egyesszálút készített majd az egyik szálhoz radioaktívan jelölt oligonukleotid primert és egy bizonyos didezoxinukleotidot (pl. ddATP) és annak normális formáját (dATP) ill. a másik 3 nukleotidot adta hozzá. Az eljárás azon a logikán alapul, hogy ahol a ddATP beépül a frissen szintetizálódó szálban a reakció leáll, a DNS polimeráz nem képes a további nukleotidokat beépíteni. Az új DNS szál hossza a beépült ddATP helyzetétől fog függeni. Ezt a reakciót mind a négy didezoxinukleotiddal el kell végezni és a reakció termékeket poliakrilamid gélelektroforézissel egymástól el kell választani. Ezután az 5, végén radioaktívan jelölt DNS szálakat autoradiográfiával mutatják ki. Mennél hamarabb épül be a didezoxinukleotid annál rövidebb lesz a DNS, tehát a nukleotidsorrend meghatározását a méret meghatározására vezethetjük vissza. Ezt az 1977-ben bevezetett szekvenálási módszert kisebb módosításokkal a mai napig használják. Sanger módszerével párhuzamosan Maxam és Gilbert amerikai kutatók egy kémiai reakciókon alapuló alternatív DNS szekvenálási eljárást fejlesztettek ki.