Nato a San Prospero Parmense, frazione del comune di Parma, il 23 novembre 1941, figlio di un maresciallo dei Carabinieri originario di San Severo (in provincia di Foggia).

Per la sua prestanza fisica e il "cipiglio da valoroso" fin dagli esordi Nero ha incarnato «una bellezza maschile molto "americana"», segnalandosi infatti all'attenzione di John Huston che gli affida il ruolo di Abele nel kolossal La Bibbia (1965), cui seguirà la notorietà definitiva raggiunta con Un tranquillo posto di campagna (1968), primo di una serie di titoli da lui interpretati nel tempo in coppia con Vanessa Redgrave. Il primo a portare Franco Nero in televisione per intervistarlo fu Corrado, il quale coinvolgerà l'attore anche negli spettacoli di beneficenza per i giovani di Tivoli.

In seguito ha interpretato numerosi film appartenenti al filone del giallo politico italiano (Il giorno della civetta, 1968; Il delitto Matteotti, 1973; Marcia trionfale, 1976; ecc.) e qualche western all'italiana (Django, 1966). Tra i suoi migliori titoli, Querelle de Brest (1982) di Rainer Werner Fassbinder, Il giovane Toscanini (1988) di Franco Zeffirelli, Diceria dell'untore (1990) di Beppe Cino, Fratelli e sorelle (1992) di Pupi Avati, Jonathan degli orsi (1994) che ha anche sceneggiato e prodotto.

Dopo essere apparso in 2012 - L'avvento del male (2001), ha recitato in diversi film sperimentali di Louis Nero, debuttando inoltre nella regia con Forever Blues (2006). All'attività cinematografica affianca, fin dalla metà degli anni settanta, una notevole produzione televisiva che lo vede protagonista in decine di miniserie e fiction. Nel 2011 ha ricevuto una stella nella Italian Walk of Fame a Toronto, in Canada.

Nel 2021 torna nuovamente alla regia, girando il film L'uomo che disegnò Dio, il quale vede nel cast anche il ritorno sul grande schermo di Kevin Spacey.

Nel 2022 riceve il Premio alla Carriera al Costa Rossa Festival delle Arti.

Nero conobbe l'attrice Vanessa Redgrave nel 1967 sul set del film Camelot, dove lui recitava la parte di Lancillotto e lei di Ginevra, instaurando una celebre relazione sentimentale. I due hanno un figlio, Carlo Gabriel Nero, nato a Londra nel 16 settembre 1969, ma il legame durò poco – nonostante abbiano recitato in coppia in diversi film – e i due si separarono poco dopo la sua nascita.

Nel 1983 ebbe un secondo figlio, Frank Sparanero, che verrà riconosciuto solo molti anni dopo, nato a Roma, che ha esordito come attore con Pupi Avati nel 1996 con il film Festival.

Nel 1987 a Franco Nero arriva un terzo figlio, Francesco Sparanero, concepito con l'afrocolombiana Mauricia Mena, che conobbe a Cartagena durante le riprese di un film. Negli anni duemila Vanessa Redgrave e Franco Nero si ritrovarono dopo tanti anni e, dopo diverse relazioni avute con altri partner, il 31 dicembre 2006 si sposano, mantenendo inizialmente segreto il loro matrimonio. La Redgrave lo renderà pubblico soltanto nel 2009 durante un'intervista alla radio inglese BBC Radio 4.