La famille aisée dont il était issu cultiva ses dons extraordinaires pour l'orgue ; elle comptait parmi ses amis Lzzasco Lzzaschi, qui lui prodigua son enseignement. Il étudia également avec Gesualdo.

En 1604 à Rome, Frescobaldi fut remarqué par la famille Bentivoglio. Lorsqu'en 1607 Guido Bentivoglio fut nommé nonce apostolique en Flandre, il emmena Frescobaldi à Bruxelles. Pendant ce séjour, qui dura dix mois, ce dernier publia des madrigaux virtuoses à cinq voix. Rentré en Italie en 1608, et protégé par Enzo Bentivoglio, il fit éditer à Milan son premier livre de fantaisies à quatre voix.

Il prit ensuite les fonctions d'organiste à Saint-Pierre de Rome. L'année suivante Bentivoglio, espérant gagner les services d'une soprano de grand talent, tenta d'arranger un mariage entre Frescobaldi et l'une des filles de Caccini. Mais la réputation de Frescobaldi était telle qu'il reçut de Florence une proposition de même nature, ce qui pour quelque temps bloqua la situation.

Frescobaldi maintint son association avec Saint-Pierre durant toute sa carrière, malgré des changements d'employeurs qui au demeurant lui permirent de s'absenter plusieurs fois, trois mois à la cour du grand-duc de Toscane (1628-1634). Il se maria et eut des enfants. Plus tard, il accepta des élèves, parmi lesquels Froberger, Kerll et Tunder.

Les Fiori musicali pour orgue (1635) constituent le plus célèbre recueil de Frescobaldi, mais ceux de sa période Aldobrandini, toccatas pour clavecin, ricercares et canzoni franzesi de 1615, capriccios de 1624 et toccatas et canzones pour clavecin et pour orgue de 1627, contiennent certaines de ses oeuvres sont intensément virtuoses, influencées par les toccatas de Luzzaschi, Pasquini et Macque.