D'origine italienne, Frank Grillo naît à New York où il suit des études de commerce. Le physique de sportif dont il hérite grâce à ses passions pour l'athlétisme, la boxe et les arts martiaux, lui permet d'apparaître dans plusieurs publicités pour la télévision et les magazines américains. Conciliant entre sport et vie associative, il arrive aussi à décrocher de petits rôles dans des séries et des films. On le voit apparaître par exemple en 1993 dans la saison 3 des Dessous de Palm Beach ou en 1996 dans Deadly Charades, un film de Kelley Cauthen. À partir de 2002, il commence à s'imposer en tant qu'acteur de séries en participant à la saison 4 de New York Unité Spéciale et à la première saison de The Shield. Il s'introduit ensuite beaucoup plus dans l'univers du cinéma en interprétant le rôle d'Andy aux côtés de Cameron Diaz dans Allumeuses ! (2002), la comédie romantique de Roger Kumble. Il incarne également un policier dans Minority Report de Steven Spielberg, rôle qui lui sied et qu'il reprend dans plusieurs films et séries. En effet, le jeune athlète se voit solliciter pour être détective ou sergent, notamment dans Prison Break (2005), où son rôle de Nick Sarvinn lui permet d'être plus connu auprès du public. Il jouera par ailleurs au détective dans la série Blind Justice puis dans les téléfilms Hollis & Rae (2006) et Blue Blood (2008) avant de porter le rôle de l'agent dans le thriller policier Hors de contrôle (2010) de Martin Campbell, en donnant la réplique à Mel Gibson.En 2007, il tient le rôle de M. Pig parmi les acteurs réguliers de la série Kill Point : dans la ligne de mire. Sa lancée sur grand écran s'affirme avec le personnage d'Eddie Carbone dans Le Prix de la loyauté de Gavin O'Connor qui lui permet de partager l'écran avec Edward Norton et Colin Farrell. Le même réalisateur le reprendra plus tard dans son poignant Warrior (2011), aux côtés de Joel Edgerton et de Tom Hardy. En 2010, Grillo assure le premier rôle dans la série américaine d'épouvante, The Gates, et s'ouvre ainsi, une fois pour toutes, les portes de l'univers de l'horreur. On le retrouve ainsi plus tard dans des films du même genre comme Mother's Day de Darren Lynn Bousman (2010) ou My Soul To Take de Wes Craven (2012). Joe Carnahan le place au premier rang avec Liam Neeson et Dallas Roberts dans l'aventure de survie Le Territoire des Loups (2012). La même année, Frank Grillo se retrouve face à Bruce Willis et Catherine Zeta-Jones dans la comédie dramatique Lady Vegas - Les Mémoires d'une joueuse de Stephen Frears avant de regagner une atmosphère plus tendue avec les films à suspense The Gangster Squad de Ruben Fleischer, dans lequel il joue face à Sean Penn et Ryan Gosling, puis Intersection de David Marconi où il partage l'affiche avec Roschdy Zem.
