Etter at Gall fra 1781 hadde studert medisin i Wien og fått doktordiplom der i 1785, begynte han å praktisere som lege. Men mer enn til legepraksisen viet han seg til nekroanatomisk og fysiologisk forskning, i særdeleshet vedrørende hjernen og dens funksjoner.
Britisk karikaturtegning fra først på 1800-tallet viser Franz Joseph Gall som undersøker hodebunnen på en gammel dame. I bakgrunnen sees fysiologens store samling av hodeskaller og byster av berømte personligheter.
Allerede som barn hadde Gall lagt merke til at forskjellige begavelser og tilbøyeligheter hos menneskene på forskjellig vis synes å gi seg til kjenne i hodeskallens utforming. Ved fortsatte iakttagelser og sammenligninger ble han overbevist om at anlegg og evner var avhengig av hjernens funksjoner, men også at disse avtegnet seg i hjernens ytre former.
I 1796 begynte Gall å holde forelesninger i Wien om oppdagelsene. Tidlig i 1802 forbød imidlertid regjeringen ham å fortsette, fordi læren førte til materialisme og på den måten stred mot moralens og religionens grunnsetninger.
I 1807 bosatte frenologen seg i Paris. Der begynte han etter kort tid med et forelesningskurs som overbeviste mange lærde. Han videreutviklet sine psevdovitenskapelige teorier i Recherches sur le système nerveux en general et sur celui du cerveau en particulier, en avhandling som allerede i 1804 var blitt levert til Institut de France, men først ble trykt i 1809 med Spurzheim som medforfatter. I årene 1810–19 utgav Gall sitt fremste arbeid, Anatomie et physiologie du système nerveux en general et du cerveau en particulier, i fire bind. Verket kom 1822–25 i mindre opplag i seks bind, med nye tillegg, blant annet forsvar for læren.
Gall ble begravet på kirkegården Père-Lachaise i Paris, der det ble reist et monument over ham. Etter eget ønske ble hodet hans preparert og innlemmet i samlingene han hadde gitt til Jardin des plantes.
Gall var en svært betydningsfull anatomiker, og skaffet seg store fortjenester ved å fremholde hjernen som materielt underlag for «sjelsegenskaper». Derimot er det psykologisk-anatomiske systemet han oppfant, i bunn og grunn totalt mislykket og samsvarer bare overflatisk med senere forestillinger om hvor aktivitetene i hjernebarken er lokalisert.
Frenologien hadde tilhengere til inn på 1900-tallet, i Norge særlig i Hans Andreas Tandberg (1880–1963).[7]
