Noto per la scoperta delle linee di assorbimento nello spettro del Sole, oggi universalmente note come linee di Fraunhofer, e per la costruzione di eccellenti lenti e obiettivi acromatici per telescopi, Fraunhofer rappresentò al massimo livello il felice connubio tra rigore teorico negli studi di ottica e straordinaria abilità tecnico-costruttiva.
Nato in una famiglia povera, ricevette un’istruzione elementare e iniziò presto ad aiutare il padre nel suo lavoro. Alla morte dei genitori, nel 1798, fu messo a apprendistato presso Philipp Anton Weichelsberger, costruttore di specchi e lavoratore del vetro.
Coinvolto nel crollo della bottega, fu risarcito dall'Elettore di Bavaria, Massimiliano Giuseppe IV, con un sussidio di 80 ducati, che impiegò per acquistare libri di ottica e una macchina per la lavorazione del vetro.
Nel 1806 iniziò a lavorare come ottico apprendista presso il Mathematisch-Mechanische Institut von Reichenbach, Utzschneider und Liebherr. L’anno successivo il laboratorio fu trasferito nel monastero sconsacrato di Benediktbeuern; qui Fraunhofer entrò in società con Reichenbach e Utzschneider, fondando nel 1809 l'Optische Institute von Reichenbach, Utzschneider und Fraunhofer a supporto del già esistente “Mathematisch”.
Nel 1814 scoprì le linee di assorbimento nello spettro solare e commercializzò il primo spettroscopio. Nel 1821 fu nominato membro straordinario e conservatore del gabinetto di fisica della Bayerische Akademie der Wissenschaften.
Dopo aver realizzato nel 1814 il grande telescopio equatoriale con un obiettivo di 17,8 cm per l’Osservatorio di Napoli, allora il maggior strumento astronomico dell’epoca, nel 1824 costruì il grande telescopio destinato all’osservatorio russo di Dorpat, con il quale l’astronomo Friedrich Georg Wilhelm von Struve (1793-1864) individuò le prime stelle doppie.
Morì nel 1826 di tubercolosi polmonare. La sua tomba è tuttora visibile nell’Alter Südfriedhof, nel quartiere di Glockenbach a Monaco.