Fritz Sternberg wurde am 11. Juni 1895 als fünftes Kind einer jüdischen bildungsbürgerlichen Familie in Breslau geboren. Als dreizehnjähriger Gymnasiast kam er erstmals mit sozialistischen Ideen in Berührung, ab 1910 schrieb er gelegentlich Artikel für die örtliche sozialdemokratische Tageszeitung Die Volkswacht. Gleichzeitig schloss er sich der jüdischen Jugendbewegung an und kam hierbei unter anderem auch in Kontakt mit Martin Buber.
Nach dem Abitur nahm Sternberg 1913 zunächst in Breslau, dann in Berlin ein Studium der Nationalökonomie auf, in dieser Zeit arbeitete er in verschiedenen sozialistisch-zionistischen Organisationen mit. Der Beginn des Ersten Weltkrieges, welchen Sternberg als imperialistischen Krieg einschätzte, und die Bewilligung der Kriegskredite durch die sozialdemokratische Reichstagsfraktion führten zu einer Entfremdung von der SPD. Im Mai 1916 wurde Sternberg zum Militär einberufen, im besetzten Polen kam es zu Kontakten mit dem Bund, im August 1917 gelang es ihm, eine Beurlaubung zur Promotion (Die Juden als Träger einer neuen Wirtschaft in Palästina) zu erreichen, die er im selben Jahr vollendete. In den folgenden Jahren bis ca. 1922 zählte sich Sternberg zur zionistisch-sozialistischen Poale Zion. Die Novemberrevolution erlebte er in seiner Heimatstadt und war Mitglied des dortigen Soldatenrates.
Nach einem längeren Aufenthalt in Wien im Sommer 1919 (bei dem er sich unter anderem auch mit der Psychoanalyse beschäftigte) trat er im Wintersemester 1919/20 an der Universität Frankfurt eine Stelle am Seminar von Franz Oppenheimer an, wo er bis 1923 sowohl forschte (u. a. zum Genossenschaftswesen und zur Grenznutzen-Theorie) wie auch unterrichtete. Ein gescheiterter Habilitationsversuch und Auseinandersetzungen mit Oppenheimer bewogen Sternberg, seine Universitätslaufbahn aufzugeben und sich ab 1923 Studien zur Analyse des Imperialismus zu widmen, zeitgleich entfernte er sich, nachdem er noch 1921 am Zionistischen Kongress in Karlsbad teilgenommen hatte, vom Zionismus. Sternberg zog nun, auch aus finanziellen Gründen, wieder nach Breslau zurück, wo er einen marxistischen Diskussionskreis (die Keimzelle der späteren SAPD-Ortsgruppe) aufbaute und an seinem Ende 1926 erschienenen Buch Der Imperialismus arbeitete.
In dieser Zeit intensivierten sich Sternbergs Kontakte sowohl zu bekannten Künstlern wie Bertolt Brecht, Lion Feuchtwanger oder George Grosz wie auch zu verschiedenen marxistischen Zirkeln und Persönlichkeiten. Nach Karl Korsch dürfte Sternberg diejenige Person gewesen sein, welche die Marxismusrezeption Brechts entscheidend prägte. Die Diskussionen um den Imperialismus eröffnete für Sternberg die Möglichkeit, regelmäßig für verschiedene Publikationen der Arbeiterbewegung Artikel zu verfassen und Seminare und Kurse u. a. für Gewerkschaftsmitglieder und -funktionäre abzuhalten, was seine materielle Lage stark verbesserte. 1927 nahm Sternberg am Anti-Imperialistischen Kongress im Brüssel teil, 1929 und 1930 war er zweimal in der Sowjetunion zu Gast, wo er u. a. mit Eugen Varga, Karl Radek und Nikolai Bucharin diskutierte, seine dortigen Eindrücke verstärkten seine Kritik am Stalinismus. Von 1930 bis zu deren Verbot im März 1933 verfasste Sternberg regelmäßig Artikel für Die Weltbühne, zumeist unter den Pseudonymen Thomas Tarn und K. L. Gerstorff. In dieser Zeit verband ihn eine enge Zusammenarbeit mit Hans Mayer; der Lyriker Peter Huchel wohnte zeitweise in Sternbergs Wohnung.
Am 7. November 1931 trat Sternberg der wenige Wochen vorher gegründeten Sozialistischen Arbeiterpartei Deutschlands (SAPD) bei, für die er in den nächsten Jahren trotz ausbrechender Diabetes fast pausenlos aktiv war. Sternberg trat als Redner auf Kundgebungen der SAPD auf, organisierte interne Schulungen und Kurse, schrieb Artikel für die Parteipresse und kandidierte (erfolglos) bei den Preußischen Landtagswahlen 1932 auf dem ersten Listenplatz im Wahlkreis Berlin. Zusammen mit Klaus Zweiling verfasste er für den ersten Parteitag der SAPD einen Programm-Entwurf, dessen ökonomische Analysen weitestgehend angenommen wurden. Parteiintern gehörte er zusammen mit Zweiling, den ehemaligen KPDO-Mitgliedern um Paul Frölich und Jacob Walcher und der Führung des SJVD zum linken Parteiflügel, der die SAPD zu einer revolutionär-marxistischen Partei weiterentwickeln wollte und sich Anfang 1933 gegen den Liquidationskurs der linkssozialdemokratisch-pazifistischen Parteiführung um Max Seydewitz und Kurt Rosenfeld durchsetzen konnte.
Da Sternberg nach der Machtübertragung an die NSDAP als Jude und Marxist besonders gefährdet war, tauchte er nach dem Reichstagsbrand unter und flüchtete am 12. März 1933 als Wintersportler verkleidet aus Deutschland über das Riesengebirge in die Tschechoslowakei, von wo aus er nach Basel weiterreiste. Dort verbrachte er unter ökonomisch und aufenthaltsrechtlich prekären Bedingungen die nächsten drei Jahre und organisierte von dort aus die Unterstützung der illegalen Arbeit der SAPD im süddeutschen Raum. Ende August/Anfang September 1933 traf er in Royan/Frankreich mit dem zeitweise dort exilierten Leo Trotzki zusammen; Hauptdiskussionsthema war die Analyse des Imperialismus, daneben aber auch der Aufbau einer revolutionären Vierten Internationale. Im Frühjahr 1936 wurde Sternberg aus der Schweiz ausgewiesen und siedelte nach Paris über, wo der Exilvorstand der SAPD ansässig war. In dieser Zeit beteiligte sich Sternberg sporadisch am Komitee zur Vorbereitung der deutschen Volksfront, bis die Verleumdung der SAPD durch die KPD als Gestapo-Agentur eine Mitarbeit unmöglich machte. In den Jahren bis 1939 war Sternberg ferner einer der Hauptautoren in den SAPD-Zeitungen Die Marxistische Tribüne und Die Neue Front – Organ für proletarisch-revolutionäre Sammlung, regelmäßige Beiträge erschienen darüber hinaus in der Neuen Weltbühne und in bürgerlichen Blättern wie dem St. Galler Tagblatt und dem Economist.
Im Mai 1939 reiste Sternberg mit einem Touristenvisum in die USA ein, nach Kriegsausbruch wurde seine Aufenthaltsgenehmigung jeweils um ein halbes Jahr verlängert, bis er 1943 ein Einwanderungsvisum und 1948 die US-Staatsbürgerschaft erhielt. In dieser Zeit arbeitete er zum einen als freier Journalist (u. a. für The Nation und The New Republic), zum anderen forschte er, von der Rockefeller Foundation und der Brookings Institution finanziell unterstützt, zur deutschen Kriegswirtschaft. 1944 gehörte er zu den Mitunterzeichnern des Programms des von dem sozialistischen Theologen Paul Tillich initiierten Council for a Democratic Germany, gleichzeitig unterhielt er enge Kontakte zu wichtigen linken amerikanischen Gewerkschaftsführern wie Victor Reuther und David Dubinsky, welche ihm die Abhaltung gewerkschaftlicher Schulungskurse ermöglichten. Zum Lebensunterhalt trugen bis zum Ende der 1950er Jahre ferner Vorträge und Seminare an verschiedenen Universitäten bei.
1950 kehrte Sternberg erstmals seit 1939 wieder nach Europa zurück, wo er als Vertreter der amerikanischen Sozialisten auf der internationalen sozialistischen Kundgebung am 20. August in Frankfurt/Main sprach, 1951 unternahm er eine dreiwöchige Reise nach Jugoslawien, wo er u. a. mit Edvard Kardelj diskutierte. Ab 1954 verlagerte sich der Lebensmittelpunkt Sternbergs (bei Beibehaltung der amerikanischen Staatsangehörigkeit) wieder nach Europa, in den kommenden Jahren bis zu seinem Tod 1963 engagierte er sich als Referent vor allem in Gewerkschaften, in Arbeitsgemeinschaften am linken SPD-Flügel und bei der SPÖ.