Antes de ser cineasta, Murnau estudou filosofia, literatura, música e história das Artes nas universidades de Heidelberg e Berlim. Frequentou a escola de arte dramática de Max Reinhhardt, que exerceu grande influência no seu estilo cinematográfico.
Iniciou a carreira no cinema em 1919. Em 1920, realizou uma versão do O Médico e o Monstro de Robert L. Stevenson, Der Januskopf. Em 1922, filmou Nosferatu, um dos clássicos do expressionismo no cinema. Em 1924, realizou o filme “O último Homem” e Fausto, baseado na obra do escritor Goethe, em 1926. A obra-prima de Murnau foi o filme Aurora, em 1927, considerado um dos pontos altos do cinema ocidental.
Morreu, aos 42 anos, num acidente de carro na Califórnia, e foi sepultado no Südwestkirchhof Stahnsdorf.