Bonn, Frankfurt, Göttingen, München, Párizs egyetemein tanult, Münchenben doktorált. 1921-ben. Rockefeller kutatói ösztöndíjjal dolgozott Zürichben és Rómában, tanított a berlini egyetemen. 1927-ben, Walter Heitlerrel együtt kidolgozta a hidrogénmolekula első kvantummechanikai tárgyalását. 1933-tól 1936-ig Oxfordban kutatott az Imperial Chemical Industries ösztöndíjával, majd a párizsi egyetemre ment, ahol kutatási igazgató lett. A homopoláros molekulák kötéseiről alkotott elmélete a hidrogénmolekula modern kvantumelméleti tárgyalásának a kezdetét jelentette, a modern kémia egyik legfontosabb eredményének tekintik. Testvérével, Heinz Londonnal dolgozta ki 1935-ben a szupravezetés fenomenologikus elméletét. 1939-ben vándorolt ki az Egyesült Államokba. A Duke Egyetemen (Durham, North Carolina) az elméleti kémiatanszék professzora lett, 1953-tól a kémiai fizika "James B. Duke" professzora volt. 1945-ben kapta meg az amerikai állampolgárságot. Ő volt az első amerikai állampolgár, akinek munkásságát a Holland Királyi Tudományos Akadémia Lorentz-érmével ismerték el.