Nato nel 1908 in Illinois, figlio di un solista di violino, Fredrick Martin MacMurray comincia a calcare le scene come sassofonista nel complesso 'Californian Collegians' nei teatri di Broadway.
Notato da un agente hollywoodiano, appare in ruoli minori finché Wesley Ruggles lo vuole come protagonista di Giglio d'oro (1935). Il film, nel quale recita a fianco di Claudette Colbert, ne fa un divo, tanto che la coppia gira assieme altre sei pellicole.
L'aspetto simpatico e i modi affabili lo conducono fin dagli esordi alla commedia, genere nel quale si rivela buon attore e buona spalla per attrici di grido come Katherine Hepburn o Carole Lombard. Alto, di bell'aspetto e dotato di un'aria un po' distratta, fu credibile nei personaggi più disparati, dato che la sua bonarietà da uomo comune non gli precluse intense interpretazioni drammatiche: dal classico noir La fiamma del peccato di Billy Wilder (Wilder lo richiederà invano anche per Viale del tramonto) agli avventurosi L'ammutinamento del Caine e Le piogge di Ranchipur, per non parlare de L'appartamento (ancora di Wilder).
Alla metà degli anni '50, MacMurray lavora in alcuni film western di modesta fattura prima di scoprire una seconda giovinezza nelle produzioni firmate Walt Disney: dal 1960 al 1972 è una delle più popolari star televisive, grazie alla fortunatissima serie My Three Sons in cui è il protagonista, il padre di famiglia vedovo alle prese con i suoi tre giovani figli.
Ritenuto, probabilmente non a torto, uno degli uomini più ricchi di Hollywood, MacMurray è morto a Santa Monica nel 1991.