Йоахим Франк родился 19 сентября 1940 года в городе Зиген, Германия. В старшей школе увлекся изучением физики, продолжил обучение во Фрайбургском и Мюнхенском университетах. Получил степень бакалавра и магистра физики. Позднее успешно защитил диссертацию по использованию метода кросс-корреляции для выравнивания углеродных пленок.
С 1970 года, в течение двух лет, работал в лабораториях Соединенных Штатов Америки, являлся сотрудником лаборатории реактивного движения Национального управления по аэронавтике и исследованию
С 1972 года ученый трудился в Институте биохимии имени М. Планка. Работал в лаборатории микроскопии в Корнеллском университете. На протяжении двух лет являлся сотрудником Кавендишской лаборатории на физическом факультете Кэмбриджского университета.
С 2003 года занимался преподавательской деятельностью в Колумбийском университете. С 2008 года заведовал кафедрой биохимии, молекулярной биофизики и биологических наук.
В 2006 году Франка избрали в Американскую академию искусств и наук и Американскую академию микробиологии. Входит в состав Национальной академии наук. Профессор кафедры биохимии и молекулярной биофизики, кафедры биологических наук Колумбийского университета в городе Нью-Йорк. Написал более 200 работ и шесть книг, автор поэм и коротких историй.
В 2017 году 4 октября Йоахиму Франку присудили Нобелевскую премию по химии за разработку криоэлектронной микроскопии для определения структуры молекул с высоким разрешением в растворе.
Йоахим Франк награжден медалью Бенджамина Франклина. Лауреат приза Уайли в области биомедицинской науки.