Originaire d’Angleterre, Frances O’Connor passe toute son enfance en Australie où elle s’inscrit à la West Australia Academy for the Performing Art pour étudier la comédie. Après quelques passages dans des séries télé et téléfilms, elle s’illustre sur le grand écran dans une comédie romantique australienne Love and other Catastrophes et décroche une nomination comme meilleure actrice à l’Institut du Film Australien. En 1997, elle connaît un franc succès avec le thriller Kiss or kill dans lequel elle incarne Nikki Davies. En 2000, Frances marque les esprits grâce à son rôle d’Alison Gardner dans la comédie Endiablé avec Liz Hurley. L’année suivante, elle brille dans le film de Steven Spielberg Artificial Intelligence : AI puis enchaîne en 2002 avec un autre succès, Windtalkers, les messagers du vent de John Woo . En 2004, Frances s’illustre dans Prisonniers du temps et Piccadilly Jim . Depuis 2008, elle joue dans Cashmere Mafia .
