Фридрих Вильгельм Мурнау (настоящая фамилия Плумпе) родился 28 декабря 1888 года в городе Билефельд (Германия) в семье суконного фабриканта и учительницы. После школы занимался изучением истории искусств в университетах Берлина и Гейдельберга.
Будучи студентом, Фридрих Вильгельм однажды с другом посетил баварский городок Мурнау. В память об этой поездке режиссер позже возьмет себе название города в качестве псевдонима. Сначала он вышел на сцену театра в качестве актера, посещал театральную школу и затем стал помощником режиссера у своего учителя Макса Рейнхардта.
Творческую деятельность прервала Первая мировая война. С ее началом Мурнау пополнил ряды добровольцев. С 1915 года в чине офицера летает на разведку, в 1917 году попадает в плен в Швейцарии и остается там до конца войны. Там организует постановки, актерами спектаклей выступают военнопленные.
Вернувшись после войны в Берлин, Мурнау поселяется в доме матери своего погибшего друга. Вскоре основывает с Эрнстом Хоффманом компанию Murnau-Veidt-Gesellschaft и начинает кинопроизводство.
В то время царила эпоха немого кино. Первый фильм режиссера вышел на экраны в 1919 году и назывался «Мальчик в голубом». Мировую известность Мурнау приобрел благодаря своей необычной для того времени экранизации Брэма Стокера. Снятый в 1922 году по мотивам «Дракулы» фильм назывался «Носферату. Симфония ужаса».
Мурнау первым использовал при съемках фильма «Призрак» такой прием, когда камера имитирует субъективный взгляд персонажа. Одной из самых экспрессивных кинолент режиссера считается драма «Последний человек», а также экранизации классиков «Тартюф» и «Фауст».
В 1926 году Мурнау уезжает покорять Голливуд. Снятые в Америке фильмы также были удостоены и зрительских симпатий, и внимания критиков, и наград киноакадемии и гильдии киноработников. Лучшим фильмом американского периода считается «Восход солнца».
В апреле 1929 года на своей яхте «Бали» Мурнау отправляется на Таити для подготовки совместно с пионером американской документалистики Робертом Флаэрти проекта документального фильма «Табу». Во время съемок Флаэрти в силу разногласий концептуального характера отказывается от совместной работы и уезжает, Мурнау заканчивает фильм один.
По пути на премьеру фильма «Табу» в Нью-Йорке 11 марта 1931 года Мурнау попал в автомобильную катастрофу в Санта-Барбаре и умер от ее последствий в клинике Санта-Моники.