Su padre, Filippo Frescobaldi, era un hombre acaudalado y con reputación, posiblemente organista como Girolamo y su medio hermano Cesare. Poco se sabe de los estudios musicales de Frescobaldi y sus primeros años. Aparentemente fue alumno de Luzzasco Luzzaschi (1545-1607) organista de la corte de Ferrara, según declara en la dedicatoria de sus “Capricci” de 1624. Superbi hizo notar su precocidad como organista; Libanori lo describió como un niño prodigio como cantante e instrumentista, sobre todo en instrumentos de teclado. Una lista de organistas de  la Accademia della Morte de Ferrara hecha en 1683 nombra a Frescobaldi  de 14 años como sucesor de Ercole Pasquini (un alumno de Alessandro Milleville, segundo organista de la corte de Ferrara) a la salida de Pasquini en 1597. Otra de sus tempranas influencias fue la de Carlo Gesualdo, también presente por aquella época en la misma ciudad.

Poco después de 1600 marchó a Roma, donde posiblemente a través de la Accademia, Frescobaldi atrajo el patrocinio de dos miembros de la familia Bentivoglio, los más grandes nobles ferrareses después de los Estensi e hijos de la famosa cantante Isabella Bendidio. Además de los hermanos Bentivoglio y Luzzaschi (que era padrino de otro de los hijos de Filippo Frescobaldi), el círculo ferrarés del joven  Frescobaldi incluía a  Antonio Goretti, un distinguido aficionado musical  que sirvió como colaborador de Monteverdi.

La fecha de salida de Frescobaldi de Ferrara para Roma no se conoce, pero puede identificarse con el ‘Girolimo Organista' empleado en Santa María in Trastevere desde enero a mayo de 1607.  En mayo de 1607 Bentivoglio fue nombrado Arzobispo titular de Rodas, y el 11 de junio partió como nuncio a la corte de los archiduques en Flandes. Fue acompañado por una gran comitiva, incluyendo a Frescobaldi y Girolamo Piccinini, y llegaron a Bruselas el 9 de agosto. La visita a Flandes marcó una nueva fase en la carrera de Frescobaldi: su primer y único viaje fuera de Italia, a una corte famosa por los espectáculos musicales y religiosos y empleando músicos italianos, españoles e ingleses, así como flamencos.

Girolamo Alessandro Frescobaldi

En 1608 publicó su primera obra completa, una colección de 19 madrigales a cinco voces impresa por Pierre Phalèse de Amberes. El 21 de julio de 1608 el capítulo de San Pedro, Roma, eligió a Frescobaldi organista de la Cappella Giulia, el establecimiento musical residente de la basílica, en sucesión de Ercole Pasquini a quien habían despedido en mayo. . Frescobaldi probablemente dejó Flandes a mediados de mayo pero tardó su llegada a Roma, haciendo una pausa en Milán para publicar sus "Fantasie". Después de mucha presión del círculo de Bentivoglio, Frescobaldi llegó a Roma desde Ferrara el 29 de octubre de 1608. 

La entrada de Frescobaldi al servicio del cardenal Pietro Aldobrandini ha sido ubicada entre mediados de 1610 y fines de 1611, coincidiendo con la salida de Filippo Piccinini del servicio del cardenal y el término del nombramiento de Enzo Bentivoglio como embajador de Ferrara.

Edición discográfica de la obra integral de Girolamo Alessandro Frescobaldi

El último trabajo conocido de Frescobaldi con los Bentivoglio fue la instrucción de un niño cantante en 1615, aunque en 1627 solicitó a Enzo un papel en la boda de Parma de 1628. En 1615 viajó a Mantua para trabajar con la familia Gonzaga, pero solo permaneció allí tres meses. En noviembre de 1628 Frescobaldi aceptó un cargo como organista del joven Fernando II, Gran Duque de Toscana, que había visitado Roma en marzo. Frescobaldi selló el acuerdo dedicando al duque una colección de “Canzoni” instrumentales en una a cuatro partes con continuo.

Entre 1628 y 1634 fue organista de la corte en Florencia. En octubre de 1630 fue nombrado organista del baptisterio de Florencia. Los años pasados en Roma vieron a Frescobaldi establecido en un nuevo nivel de reputación y seguridad financiera. Volvió en abril de 1634, ahora bajo el patrocinio de la familia del papa reinante, Urbano VIII Barberini. Pasó el resto de su vida en Roma, cumpliendo con sus deberes en San Pedro y disfrutando de la generosidad de protectores como el Cardenal Antonio Barberini. Durante sus últimos años Frescobaldi estuvo activo, siempre como clavicordista, en las famosas actuaciones cuaresmales del Oratorio del Crocifisso.  Las actuaciones de Crocifisso combinaron trabajos instrumentales con motetes y oratorios en latín. Murió después de una enfermedad que duró diez días, y fue enterado en la cercana  basílica de SS Apostoli; su tumba desapareció durante la reconstrucción de la iglesia en el siglo XVIII. A su muerte era un hombre famoso y respetado.

En Florencia sus alumnos incluyeron a Bernardo Roncagli, Filippo Bandini y Francesco Nigetti, que inventó un omnicordo y enseñó a Giovanni María Casini. Los alumnos romanos de Frescobaldi incluyeron a Borbone, Grassi, Luigi Battiferri, Leonardo Castellani, Lucia Coppi, Giovanni Battista Ferrini, Tommaso Luna, Francesco Muti, Giovanni Angelo Muti, y el pistoiés Valerio Spada. El más famoso de los alumnos de Frescobaldi fue Johann Jacob Froberger, que vino con un subsidio de la corte imperial de Viena a estudiar en Roma en 1637-41.

Frescobaldi escribió numerosas obras sacras y madrigales, pero fueron sus obras para teclado las que le hicieron famoso entre sus contemporáneos y para la posteridad; estas obras fueron publicadas en trece volúmenes entre 1608 y 1645. Fue uno de los inventores de la concepción moderna del tempo y su música tuvo una gran influencia en compositores posteriores como Johann Jacob Froberger y Johann Sebastian Bach.