Nach dem Abitur 1950 Dramaturg und Regie-Assistent am Kreistheater Crimmitschau. Ab 1952 Regie-Studium an der Filmhochschule FAMU in Prag. Erste Regiearbeit ist der Kurz-Dokumentarfilm "Roznicky". 1955/56 Regie-Assistenz u.a. bei Kurt Maetzig. 1956/57 Diplomfilm "Zwei Mütter". Ab 1958 Regisseur im DEFA-Studio für Spielfilme.

Nach "Eine alte Liebe" (1958/59) über die Kollektivierung der Landwirtschaft in der DDR greift Beyer Themen der jüngeren Geschichte auf. "Fünf Patronenhülsen", ein spannend inszenierter Abenteuerfilm über die Internationalen Brigaden im Spanischen Bürgerkrieg, ist ein großer Erfolg. "Königskinder" (1961/62) behandelt formal eigenwillig Probleme von Anpassung und Widerstand im Faschismus. "Nackt unter Wölfen" nach dem Buchenwald-Roman von Bruno Apitz erzählt vom Überleben eines Kindes im KZ. "Karbid und Sauerampfer", mit Erwin Geschonneck, angesiedelt in den ersten Nachkriegsjahren, zählt zu den gelungensten Filmkomödien der DEFA.

Mit dem Verbot von "Spur der Steine" nach dem Bestseller von Erik Neutsch – vom Publikum begeistert aufgenommen, von der SED-Führung jedoch abgelehnt – findet Beyers Karriere 1966 ein vorläufiges Ende.

Er inszeniert 1967-69 an verschiedenen Theatern in Dresden, Görlitz und Berlin. Für das Fernsehen entsteht u.a. 1969/70 das fünfteilige Dokumentarspiel "Rottenknechte" über einen im Mai 1945 gescheiterten Matrosenaufstand. Der erste Kinofilm nach vielen Jahren, "Jakob der Lügner" (1974), nach dem Roman von Jurek Becker, wird auf der Berlinale mit dem Silbernen Bären prämiert und erhält als erster DEFA-Film eine Oscar-Nominierung.

"Das Versteck" (1976) ist eine witzige Ehekomödie mit Jutta Hoffmann und Manfred Krug, die im Umfeld der Biermann-Resolution erst verzögert ins Kino kommt. Zu neuerlichen beruflichen Schwierigkeiten führt zudem sein TV-Film "Geschlossene Gesellschaft" (1978), ein psychologisches Kammerspiel, das zu lebhaften Publikumsreaktionen führt.

In der BRD dreht Beyer 1980 z.T. mit DDR-Emigranten "Der König und sein Narr", ein Stück preußischer Geschichte, und 1981 "Die zweite Haut", mit Angelica Domröse und Hilmar Thate. In der DDR wird Beyer mehrfach für die Hermann Kant-Verfilmung "Der Aufenthalt" (1982) ausgezeichnet, der Antworten auf die Frage nach individueller Schuld im Krieg zu geben versucht.
Mit "Der Bruch" (1988), einer Kriminalkomödie im Nachkriegs-Berlin (Drehbuch Wolfgang Kohlhaase), zielt die DEFA mit prominenter Ost-West-Besetzung (u.a. Götz George, Otto Sander und Rolf Hoppe) auf den westdeutschen Markt.

In komödiantisch gelungener Weise gestaltet Beyer mit "Das große Fest" (1992), eine Familiengeschichte nach der deutschen Einheit. In "Das letzte U-Boot" (1992) greift er wiederum ein Kriegsthema auf. Die letzten beiden Jahre der DDR, erzählt am Beispiel einer zerrissenen Leipziger Funktionärsfamilie, bis hin zur Eskalation im Oktober 1989, sind Thema von "Nikolaikirche" (1995). In "Abgehauen" (1998) – nach Manfred Krugs Bestseller über seine Ausreise aus der DDR 1976/77 – tritt Beyer auch als Betroffener (dargestellt durch seinen Bruder, den Schauspieler Hermann Beyer) auf.

Frank Beyer ist mit seinen Schwerpunktthemen – jüngste deutsche Vergangenheit und Ost-West-Konflikt – einer der wenigen renommierten DEFA-Regisseure, die ihre Karriere auch nach der Wende kontinuierlich fortsetzen können.