Friedrich Hollaender wurde am 18. Oktober 1896 in London als einziges Kind des damals populären Operetten- und Schlagerkomponisten Victor Hollaender geboren. Seine Mutter Rosa Perl war Soubrette am Zirkus Barnum & Bailey. Zur überaus musikalischen und künstlerisch begabten Verwandtschaft gehörte zudem Hollaenders Onkel Gustav, Leiter des Stern'schen Konservatoriums, sowie sein Onkel Felix, Dramaturg und Regisseur am Deutschen Theater. Um die Jahrhundertwende zog die Familie zurück nach Berlin, wo der Vater als Komponist und Kapellmeister des Metropol-Theaters Karriere machte.

Friedrich Hollaender, der seit seiner frühen Kindheit Klavier spielte und als musikalisches Wunderkind galt, studierte Komposition am Stern'schen Konservatorium und wurde Meisterschüler Engelbert Humperdincks an der Königlichen Akademie der Künste. Abends erlernte er die Kunst der Improvisation durch die Klavierbegleitung von Stummfilmen in den Kinos der Nachbarschaft. 1914 wurde Hollaender mit 18 Jahren vom Neuen Deutschen Theater in Prag als Korrepetitor verpflichtet. Dem unmittelbaren Kriegseinsatz konnte er kurz darauf entgehen, indem er als Orchesterleiter ein Fronttheater in Frankreich dirigierte.

Nach dem Ende des Ersten Weltkriegs ging er zurück nach Berlin, wo er zunächst musikalischer Leiter des "Ballett Charell" wurde und später die Bühnenmusik zu Else Lasker-Schülers "Die Wupper" komponierte, das 1919 am Deutschen Theater Premiere feierte. Wenig später traf er mit Werner Richard Heymann, Kurt Tucholsky, Walter Mehring, Klabund, Joachim Ringelnatz, Mischa Spoliansky und Blandine Ebinger zusammen, um im Keller von Max Reinhardts Großem Schauspielhaus ein Kabarett zu gründen (das neue "Schall und Rauch"). 1919 heiratete Hollaender die Schauspielerin und Chansonnière Ebinger, 1924 wurde Tochter Philine geboren. Ebinger, für die Hollaender auch den Liederzyklus "Lieder eines armen Mädchens" schrieb, wurde mit seinen Songs zu einem Star der Berliner Bühnen der 1920er Jahre. Hollaenders "Revuetten", für die er fast immer sowohl Musik als auch Text verfasste, prägten die avantgardistischen literarischen Kabaretts seiner Zeit, wie zum Beispiel Trude Hesterbergs Wilde Bühne, Rosa Valettis Rakete oder das Kabarett Größenwahn. Gleichzeitig widmete sich der Komponist der Lyrik und war zudem Mitbegründer und vorübergehend Pianist der ersten Berliner Jazzband, "Weintraubs Syncopators".

1926 komponierte Hollaender die Begleitmusik für Martin Bergers "Kreuzzug des Weibes" – seine erste Arbeit für den Film, die jedoch bereits im Jahr darauf verloren ging. Der Kontakt zum Film riss allerdings nicht ab: 1930 fragte eine Bekanntschaft Hollaender, ob er die Rolle des Pianisten in von Sternbergs "Der Blaue Engel" (1930) übernehmen könne. Hollaender sagte zu und wurde zudem von Erich Pommer als Komponist für die Songs des Films engagiert. Titel wie "Ich bin von Kopf bis Fuß auf Liebe eingestellt", "Ich bin die fesche Lola" machten nicht nur Marlene Dietrich schlagartig zum Star, sondern wurden auch als Schallplattenaufnahmen, eingespielt von Hollaender und den "Weintraubs", zu Welterfolgen. Zudem garantierte der Erfolg des Films seine weitere Beschäftigung bei der Ufa. Er schrieb die Musik zu Robert Wienes Krimi "Der Andere", zu Stefan Székelys "Die große Sehnsucht" und für Georg Jacobys "Pension Schöller" alle im Jahr 1930. Auch die Schlager "Laß mich einmal deine Carmen sein" und "Ich laß mir meinen Körper schwarz bepinseln" für den mehrsprachig gedrehten Film "Einbrecher" (Regie: Hanns Schwarz) stammen noch aus diesem Jahr. In den folgenden Jahren komponierte Hollaender Songs für die beiden Robert-Siodmak-Filme "Der Mann, der seinen Mörder sucht" und "Ich weiß nicht, zu wem ich gehöre" sowie für Alexis Granowskys "Das Lied vom Leben". 1932/33 führte er zum ersten Mal selbst Regie bei "Ich und die Kaiserin", einer Musikkomödie mit Lilian Harvey und Mady Christians, die in deutscher, französischer und englischer Fassung gedreht wurde.

Parallel zur Arbeit beim Film war Hollaender weiterhin in der Berliner Kabarettszene aktiv: 1931 eröffnete er in Berlin-Charlottenburg seine eigene Bühne, das Tingel-Tangel-Theater, welches sich im Keller des Theater des Westens in den ehemaligen Räumen der Wilden Bühne befand und sich durch Jazzmusik und politische Satire auszeichnete – sehr zum Unmut der immer stärker werdenden radikalen Kräfte von rechts. Nach der "Machtergreifung" der Nationalsozialisten 1933 verließ Hollaender, der jüdischer Abstammung war, Deutschland noch im Februar desselben Jahres. Zuvor hatte er sich im Programm seines Theaters unverblümt über den schwelenden Antisemitismus lustig gemacht ("An allem sind die Juden schuld", "Höchste Eisenbahn"). Über Paris ging er 1934 mit seiner zweiten Frau Hedi Schoop, die er zwei Jahre zuvor geheiratet hatte, schließlich ins Exil nach Kalifornien, wo er seinen Namen zu Frederick Hollander amerikanisierte. Sein 1941 entstandenes erstes Buch "Those Torn from Earth", das auf Deutsch erst 1995 als "Menschliches Treibgut" herausgegeben wurde, beschreibt eindringlich das Schicksal der deutschen Emigranten jener Zeit.

In Los Angeles versuchte er sein Glück zunächst mit einer Neuauflage des Tingel-Tangel-Theaters, verlegte sich aber, nachdem der Erfolg ausblieb, auf das Komponieren von Filmmusik, mit der er äußerst erfolgreich wurde. Zunächst bekam er auf Vermittlung Erich Pommers einen Kurzvertrag bei Fox, für die er die Musik zur Harvey-Romanze "I Am Suzanne!" (1934) schrieb. Daran anschließend folgte ein weiterer Kurzvertrag bei RKO, für die er Regie im Western "Bandits and Ballads" (1934) führte. Seinen ersten längeren Vertrag erhielt er nach einem Jahr Wartezeit schließlich bei Paramount, für die er im Music Department hauptsächlich arbeitsteilig komponierte, was ihm im Vergleich zur künstlerischen Freiheit, die er in Deutschland genossen hatte, als Einschränkung erschien. Viele musikalische Themen, die er so verfasste, waren als "cues" Studioeigentum, sodass Hollaenders Name im Abspann oft ungenannt blieb. Während seiner insgesamt 23 Jahre in Hollywood verfasste er Lieder und Musik zu über 100 Filmen und wurde insgesamt vier Mal für einen Academy Award nominiert. Besonders fruchtbar war die Zusammenarbeit mit dem ebenfalls emigrierten Ernst Lubitsch, für den er für "Angel" (1937) und "Bluebeard's Eighth Wife" (1938) in Zusammenarbeit mit Werner R. Heymann verantwortlich zeichnete. Er arbeitete er auch an Liedern zu Lubitschs letztem Film "That Lady in Ermine" (1948), der von Otto Preminger fertiggestellt wurde.

1944 heiratete Hollaender zum dritten Mal. Seine Frau wurde die Schauspielerin Leza Hay, mit der er im selben Jahr die Tochter Melodie bekam. Nur zwei Jahre später heiratete er erneut, diesmal Berthe Jeanne Kreder. Mit dieser nahm er auf einer ersten Reise wieder Kontakt mit dem Nachkriegseuropa auf. Er blieb jedoch zunächst noch in den Vereinigten Staaten, um dort die Musik zum Kultmusical "The 5000 Fingers of Dr. T." (1952) zu schreiben. Michael Curtiz' Bogart-Film "We're no Angels" (1955) wurde schließlich die letzte Arbeit des Filmkomponisten in Hollywood.

Im gleichen Jahr kehrte Friedrich Hollaender aus den USA zurück nach Deutschland und zog nach München, wo er sich in der "Kleinen Freiheit" erneut im Kabarett und im Musical versuchte, wenn auch nur mit bedingtem Erfolg. Die Hochphase von Revue und Kabarett schien vorbei. Hollaender schrieb Chansons und die Filmmusik zu Kurt Hoffmanns "Grusical" "Das Spukschloss im Spessart" (1960). Im Jahr darauf hatte er einen Cameo-Auftritt als Hotelmusiker in Billy Wilders Komödie "One, Two, Three", für den er zuvor die Partituren zu "A Foreign Affair" (1948) – in dem er erneut Marlene Dietrich am Piano begleitete – und "Sabrina" (1954) komponiert hatte.

Im Anschluss an die kurze Rückkehr ins deutsche Filmgeschäft wendete sich Hollaender dem Fernsehen zu und brachte mit "Höchste Eisenbahn" (1961, ZDF) und "Hoppla, aufs Sofa!" (1962, ARD) alte wie neue Revuen in die Wohnzimmer der Zuschauer. Nachdem er 1959 das Bundesverdienstkreuz erhalten hatte, wurde ihm 1965 schließlich beim Bundesfilmpreis das Filmband in Gold für sein langjähriges und hervorragendes Wirken im deutschen Film verliehen. Im selben Jahr veröffentlichte Hollaender seine Autobiografie, die er nach seinem größten Erfolg "Von Kopf bis Fuß" nannte. Bis in die 1970er Jahre hinein schrieb er weitere Gedicht- und Textsammlungen, die heute jedoch vergriffen sind. 1972 wurde er mit dem Schwabinger Kunstpreis für Musik ausgezeichnet.

Nachdem es in den letzten Jahren seines Lebens still um ihn geworden war, starb Friedrich Hollaender am 18. Januar 1976 im Alter von 79 Jahren in München, wo er auf dem Ostfriedhof beerdigt wurde.