Su padre Hans era pintor; su madre murió en 1603, evento que el compositor conmemoró con un motete. Johannes Franck, que publicó una colección de Cantiones sacrarum melodiarum en Augsburgo en 1600 puede haber sido un hermano mayor. Poco se sabe de la vida temprana de Melchior. Puede haber estudiado música en Zittau bajo Christoph Demantius, Kantor allí desde 1597 a 1604, y puede haber sido alumno de Adam Gumpelzhaimer (así como de Christian Erbach, Bernhard Klingenstein y Hassler) en Augsburgo. En todo caso estaba en el coro de la iglesia de Santa Anna, Augsburgo, aproximadamente en 1600.

Edición discográfica de obras de Melchior Franck

En 1601 Franck se trasladó a Nuremberg, donde enseñó en la Egidienkirche. El año que pasó allí fue decisivo para su carrera. Su interés en la educación musical resultó entonces y años más tarde en numerosas colecciones de música vocal e instrumental pedagógica. En Nuremberg fue influenciado fuertemente por Hans Leo Hassler, que también había vuelto allí desde Augsburgo en 1601. Hassler había heredado de Lechner, su probable maestro en Nuremberg, el estilo de composición de motetes neerlandeses y había absorbido el estilo antifonal veneciano de Andrea y Giovanni Gabrieli mientras estudiaba con ellos en Venecia. Traspasó éstos a Franck. .

A fines de 1602 o principios de 1603 Franck se volvió Kapellmeister del Duque Johann Casimir de Sajonia-Coburgo, un noble ilustrado que mostró gran interés por su establecimiento musical; sin ninguna duda que trabajó con entusiasmo con Franck, para quien la vida en Coburgo fue al principio ideal. Publicó una gran cantidad, y en 1607 se casó.

La Guerra de Treinta Años afectó a Coburgo a comienzos de los años 1630, cuando la ciudad y el campo cercano fueron asolados por Wallenstein y luego por los ejércitos de Lamboy. La economía se vio arruinada; además, el Duque Johann Casimir murió en 1633. Franck personalmente sufrió la pérdida de su esposa y dos niños. El sucesor de Casimir, Duque Johann Ernst, fue obligado a economizar y, faltándole el amor de su predecesor hacia la música, rápidamente redujo el tamaño y su apoyo a la Kapelle. Franck conservó su puesto, aunque su paga menguó bastante en los años siguientes, y Johann Ernst también lo nombró en el puesto menor de inspector del coro de la iglesia de la ciudad. Franck se quejaba de los tiempos difíciles en los prólogos de sus trabajos impresos, pero a pesar de recibir una oferta para volver a Nuremberg en 1636 decidió permanecer con el duque, que lo invitó a reorganizar su Kapelle de la corte en Eisenach. Luego del fracaso de esa Kapelle Franck volvió a Coburgo, donde fue pensionado.

Franck fue uno de los mejores compositores de música protestante alemana en la primera mitad del siglo XVII. Escribió música sacra y secular para varias fuerzas instrumentales y vocales: su producción es vasta, y tiene que emprenderse todavía un estudio amplio, detallado de sus obras. La mayoría de su música es conservadora comparada con la de Schütz o sus contemporáneos italianos, y sólo experimentó con el nuevo bajo continuo desde 1627. De 1466 composiciones conocidas, sus obras principales son sus motetes exclusivamente vocales y sus danzas para conjunto instrumental. También escribió canciones polifónicas alemanas y quodlibets, escenas de Magnificat alemanas, una Misa, conciertos sacros, simples obras corales y música incidental.

Franck publicó más de 40 colecciones de motetes, más de una por año, entre 1601 y 1636. De las más de 560 composiciones en ellos, la mayoría usa traducciones alemanas de salmos y escritos proféticos. Los motetes con textos en latín, todos menos siete de los cuales aparecen en cinco colecciones publicadas desde 1601 a 1613, también llevan traducciones en alemán. En el prólogo a su "Contrapuncti" (1602), Franck explica su estilo de escritura. Aunque conservadora, la música de Franck es consistentemente expresiva. Sus obras fueron sumamente populares, sin ninguna duda a causa de su simplicidad y su belleza:  reaparecieron muchas veces durante  su vida en varias ciudades y en colecciones. El compositor alemán más prolífico de su generación, es quizás el más importante después de Schütz, Schein y Scheidt.

La conocida melodía navideña "O Tannenbaum", atribuída algunas veces a este compositor, era una canción popular del siglo XVI que fue incorporada por Melchior Franck en un Quodlibet (en latín:  ‘lo que se quiere’), forma  musical que combina diferentes melodías en contrapunto, usualmente temas populares, y a menudo en forma sencilla.