London entstammte einer wohlhabenden großbürgerlichen deutsch-jüdischen Familie. Er studierte in Bonn, Frankfurt am Main, Göttingen, München und Paris. 1921 promovierte er in München.
Zusammen mit Walter Heitler veröffentlichte Fritz London 1927 die erste quantenmechanische Behandlung einer chemischen Bindung, nämlich der Bindung im Wasserstoff-Molekül (Valenzstrukturtheorie, Valenzbindungstheorie, VB-Theorie). Nach der Machtergreifung 1933 sah er sich zur Emigration gezwungen und arbeitete zwischen 1933 und 1936 zusammen mit seinem Bruder Heinz London, der ebenfalls Physiker war, an der Universität Oxford. 1936 wechselte er als Forschungsdirektor nach Paris.
1939 emigrierte London in die USA und wurde dort Professor für Theoretische Chemie an der Duke Universität in Durham. 1953 erhielt er eine Professur für Physikalische Chemie.