Sinh ra ở Mineola, New York, có gốc Ba Lan và Ý, Wilczek đã học tại các trường công Queens, Trường Trung học Martin Van Buren. Chính trong khoảng thời gian này của cha mẹ Wilczek nhận ra rằng ông đã được đặc biệt một phần là kết quả của Frank Wilczek đã được thực hiện một bài kiểm tra IQ. Ông được nuôi dạy theo đạo Thiên Chúa giáo.Ông nhận bằng Cử nhân Khoa học về Toán học tại Đại học Chicago năm 1970, Thạc sĩ về Toán học tại Đại học Princeton, năm 1972, và Tiến sĩ Về vật lý tại Đại học Princeton vào năm 1974. Wilczek giữ chức danh giáo sư Herman Feshbach Vật lý tại Trung tâm Vật lý lý thuyết MIT. Ông làm việc tại Viện Nghiên cứu Nâng cao ở Princeton và Viện Vật lý Lý thuyết thuộc Đại học California, Santa Barbara và cũng là giáo sư thỉnh giảng tại NORDITA.