Frantz est né d'un père professeur de collège et d'une mère institutrice.
Frantz Grenet a étudié à l'École normale supérieure de la rue d'Ulm de 1972 à 1977. Il obtient l'agrégation d'histoire en 1975. Il devient membre de la Délégation archéologique française en Afghanistan (DAFA), avec résidence à Kabul (il est pensionnaire scientifique de 1977 à 1978, puis directeur-adjoint de 1978 à 1981). Il a participé aux fouilles archéologiques d'Aï Khanoum de 1975 à 1978, sous la direction de Paul Bernard.
Frantz Grenet soutient sa thèse de doctorat de 3e cycle en Archéologie à Paris I : Les pratiques funéraires dans l'Asie centrale sédentaire de la conquête grecque à l'islamisation, 1981 (version augmentée publiée en 1984 sous le même titre aux Éditions du CNRS, Paris).
De 1999 à 2014, il a été directeur d'études cumulant à l'EPHE (section des Sciences religieuses, chaire « Religions du monde iranien ancien »).
Frantz Grenet a été chercheur au CNRS de 1981 à 2013 (directeur de recherches 1re classe depuis 2005), au sein de l'équipe AOROC « Archéologie d'Orient et d'Occident » (CNRS / École normale supérieure).
Il est professeur au Collège de France depuis le 1er mai 2013, et occupe la chaire « Histoire et culture de l'Asie centrale préislamique ». De 1989 à 2014, il a dirigé la Mission archéologique franco-ouzbèke de Sogdiane (MAFOUZ), qui fouille notamment le site de l'ancienne Samarkand.
Frantz Grenet est membre du bureau du Corpus Inscriptionum Iranicarum (Londres), du Comité consultatif de l'Institute for the Study of the Ancient World (Université de New York).
Il est président de la Société européenne pour l'étude des civilisations du Tibet et de l'Asie centrale et membre correspondant de l'Istituto Italiano per l'Africa e l'Oriente (1994), de l'Académie des Inscriptions et Belles-Lettres (1997, de l'Académie des Sciences d'Autriche (2014).
Les pratiques funéraires dans l'Asie centrale sédentaire, de la conquête grecque à l'islamisation. 362 p. + 52 pl. h.-t. Paris, Éditions du CNRS, 1984.
L'Asie centrale préislamique. Bibliographie critique 1977-1986. 179 p. Téhéran-Paris, Institut Français de Recherche en Iran, 1988.
Histoire et cultes de l'Asie centrale préislamique. Sources écrites et documents archéologiques (Actes du Colloque international du CNRS, Paris, 22-28 Novembre 1988), 297 p. + 112 pl. h.-t. Paris, Éditions du CNRS, 1991.
A History of Zoroastrianism, vol. III: Zoroastrianism under Macedonian and Roman rule. Leiden, 1991 (chap. 3: "On the western edge of the Iranian plateau: Susa and Elymais" (pp. 35-48); chap. 7: "In eastern Iran: the Greek kingdoms" (pp. 152-193)) .
La Geste d'Ardashir fils de Pâbag. 113 p. + 12 pl. h.-t. Die, éditions "A Die", 2003.
Recentrer l’Asie centrale (Leçon inaugurale au Collège de France). Paris, 2014, 71 pp.
"L'art zoroastrien en Sogdiane: études d'iconographie funéraire". Mesopotamia, 21, 1986, pp. 97-131
"Regional interaction in Central Asia and Northwest India in the Kidarite and Hephtalite periods", dans Indo-Iranian languages and peoples, ed. N. Sims-Williams, Oxford, 2002, pp. 203-224.
"The last days of Panjikent", Silk Road Art and Archaeology, 8, 2003, pp. 155-196. (en collab. avec Étienne de la Vaissière).
« Maracanda / Samarkand, une métropole pré-mongole : sources écrites et archéologie», Annales. Histoire, sciences sociales, 2004 n° 5/6, pp. 1043-1067.
« An archaeologist’s approach to Avestan geography », in Birth of the Persian Empire, ed. V. Sarkoosh Curtis and S. Stewart, Tauris Publishers, London, 2005, pp. 29-51.
« Découverte d’un relief sassanide dans le nord de l’Afghanistan », Comptes Rendus de l’Académie des Inscriptions et Belles-lettres 2005 [2006], pp 115-133.
« Religious diversity among Sogdian merchants in sixth-century China: Zoroastrianism, Buddhism, Manichaeism, Hinduism », Comparative Studies of South Asia, Africa and the Middle East (Toronto), 27, 2007, pp. 463-478.
« Zoroastrianism in Central Asia », dans The Wiley Blackwell Companion to Zoroastrianism, ed. M. Stausberg, Y.S.-D. Vevaina, Chichester, 2015, pp. 129-146.
« Kushan Zoroastrianism », dans Kushan Histories, ed. H. Falk, Mainz, 2016, pp. 203-239.