De son nom complet Frank Thornton Ball, il commence une carrière dans les assurances après avoir quitté l'école Alley's School de Dulwich. Cependant, insatisfait par ce métier auquel il n'aspire guère, il suit des cours du soir avec la perspective de devenir acteur à la London School of Dramatic Art. Après deux ans d'efforts dans le domaine des assurances et d'assiduité dans son apprentissage des arts de la scène, il devient étudiant à part entière au sein de l'école des arts dramatiques de Londres. Enthousiasmé, il parvient à convaincre son père de financer ses études.

Lorsque la Seconde Guerre mondiale éclate, il doit quitter Londres pour l'Irlande où il s'adonne au théâtre en jouant des pièces dans le Comté de Tipperary. Toutefois, il est incorporé dans la Royal Air Force, où il sert comme aviateur avant de finir la guerre avec le grade d'officier. Il est promu lieutenant d'aviation en 1945, avant d'être démobilisé en 1947.

Frank Thornton avec les membres du casting de «Winnie», un opéra 1988 à propos de Sir Winston Churchill.

Après la guerre, il renoue avec la scène et démarre sa carrière au cinéma avec le film Radio Cab Murder en 1954. Mais il se fait surtout connaître en Angleterre pour ses rôles comiques, qui deviennent peu à peu son répertoire de prédilection. Il participe à plusieurs émissions télévisées humoristiques, comme, Le Benny Hill Show.

En outre, il joue dans de nombreuses séries britanniques classiques, comme Hancock (Le Don du Sang) en 1964, The Early Bird (1965), The Bed Sitting Room (1969), Some Will, Some Won't (1970) et No Sex Please, We're British (1971).

La célébrité vient avec la sitcom comique Are You Being Served?, diffusée sur la BBC entre 1972 et 1985. Son visage devient alors très connu en Grande-Bretagne, notamment grâce à son rôle du Capitaine Stephen Peacock, gérant guindé d'un magasin de détail et héros autoproclamé de la Guerre du désert contre les troupes allemandes de Rommel. Son rôle est tellement apprécié, qu'il le reprend dans la série Grace & Favour, qui fait suite à la précédente.

Frank Thornton (à droite) qui a joué dans "Last of the Summer Wine" avec les membres du casting.

En 1980, il rejoint John Cleese dans l'équipe de production de La Mégère apprivoisée (The Taming of the Shrew) de William Shakespeare. En 1984, il joue le rôle de Sir John Treymane dans la comédie musicale Me and My Girl et voit sa performance récompensée par l'attribution d'un Olivier Award.

En 1997, il est à nouveau remarqué sur le petit écran en interprétant Herbert 'Truly' Truelove, un policier à la retraite, dans la série Last of the Summer Wine.

Frank Thornton s'éteint à son domicile de la banlieue londonienne de Barnes le 16 mars 2013, âgé de 92 ans.