Joachim Frank sinh ra ở Weidenau/Sieg. Sau khi hoàn thành bằng Vordiplom (cử nhân) về Vật lý tại Đại học Freiburg (1963) [2] và Diplom của ông dưới sự hướng dẫn của Walter Rollwagen tại Đại học Ludwig Maximilians Munich với luận án "Untersuchung der Sekundärelektronen-Emission von Gold am Schmelzpunkt" (Nghiên cứu sự phát xạ điện tử thứ cấp của vàng tại điểm nóng chảy của nó) (1967), Frank nhận bằng tiến sĩ từ Đại học Kỹ thuật Munich đề tài nghiên cứu sau đại học tại phòng thí nghiệm của Walter Hoppe tại Viện Max Planck Eiweiss- und Lederforschung (nay là Viện Hóa sinh Max Planck, Max-Planck Institut für Biochemie) với luận án Untersuchungen von elektronenmikroskopischen Aufnahmen hoher Auflösung mit Bilddifferenz- und Rekonstruktionsverfahren [3] (Nghiên cứu các bức xạ vi điện tử có độ phân giải cao sử dụng phương pháp tạo hình khác biệt và tái tạo) (1970). Luận án khám phá việc sử dụng xử lý hình ảnh số và nhiễu xạ quang học trong phân tích vi ảnh điện tử, và sắp xếp các hình ảnh sử dụng hàm tương quan chéo.

Là một nghiên cứu sinh của Harkness, ông đã có cơ hội nghiên cứu trong hai năm ở Hoa Kỳ: với Robert Nathan tại Phòng Thí nghiệm Sức đẩy Phản lực, thuộc Viện Công nghệ California; với Robert M. Glaeser tại phòng thí nghiệm Donner, Đại học California, Berkeley và Benjamin M. Siegel tại Đại học Cornell, Ithaca, New York.[4][5][6][7]Vào mùa thu năm 1972, ông có một thời gian ngắn làm việc tại Viện Khoa học Sinh học Max Planck ở Martinsried làm trợ lý nghiên cứu, nghiên cứu lý thuyết về sự gắn kết một phần dưới kính hiển vi điện tử. Năm 1973, ông gia nhập Phòng thí nghiệm Cavendish, Đại học Cambridge với tư cách Trợ lý Nghiên cứu cao cấp cho Vernon Ellis Cosslett.