A frankfurti Gymnasiumban tanult. 1820-ban iratkozott be a Marburgi Egyetemre; orvosnak készült. A következő évben Heidelbergbe költözött, ahol az egyik leghíresebb német vegyész, Leopold Gmelin hatása alá került. Gmelin felismerte Wöhler tehetségét, és azt tanácsolta, hogy a kémikusi pályát válassza. A fiatalember 1823-ben megszerezte ugyan az orvosi diplomát, de elhatározta, hogy nem fog praktizálni, hanem kémiát tanul Európa vezető kémikusánál, Jöns Jacob Berzeliusnál. 1823-24-ben csaknem egy évig dolgozott Stockholmban. Nemcsak a módszereket és az új elemek kémiája iránti érdeklődést sajátította el Berzeliustól, hanem életre szóló barátságot is kötött mesterével. Levelezésük sokat elárul a két férfi személyiségéről. Wöhler később németre fordította Berzelius fontos összefoglaló tanulmányait és tankönyveit.
Németországba visszatérve, 1825-től Wöhler kémiát tanított a berlini ipariskolában. Itt dolgozott 1831-ig, és ide fűződik két fontos felfedezése. Egy szervetlen vegyületből, az ammónium-cianátból 1828-ban előállította a karbamidot, amelyről korábban úgy gondolták, hogy kizárólag állati termék. Ezt az eredményt egyes kémiatörténészek fontos lépésként ünnepelték a "vis vitalis" (életerő) elv megdöntésében (ez az elmélet azt állítja, hogy az élő szervezetek folyamatait különleges életerők irányítják). Újabban ismerték fel, hogy Wöhlert sokkal jobban érdekelte a karbamid kémiája, mint előállításának filozófiai jelentősége.
A karbamid szintézisével körülbelül egy időben Wöhler eljárást dolgozott ki kis mennyiségű fémalumínium előállítására. A módszert később ipari méretben is hasznosították.
Wöhler 1831-ben a kasseli felsőipariskola hívására állást változtatott. 1829-ben feleségül vette unokahúgát, Franziska Wöhlert. A házaspárnak fia született, majd 1832-ben, lányuk szülésekor Wöhler felesége meghalt. Wöhler korábban ismeretséget kötött kortársával, Justus Liebiggel, aki Giessenben tanított. Liebig úgy gondolta, Wöhler könnyebben kiheveri felesége elvesztését, ha barátjával folytat kutatásokat. A két vegyész a keserűmandula olajának (benzaldehid) vizsgálatába fogott. Ebből a munkából született meg a gyökök elmélete, az első olyan kísérlet, amely a szerves vegyületek szerkezetének megértését szolgálta. A vizsgálatok közben megerősödött a két tekintélyes kutató barátsága. Leveleik, amelyek nyomtatásban is megjelentek, sokat elárulnak róluk. Liebig nagyszerű kísérletező, de makacs, hirtelen haragú ember volt. Wöhler sokkal jobban uralkodott magán.
Wöhler 1834-ben feleségül vette Julie Pfeiffert, első felesége barátnőjét. Ebből a házasságból két leány született. 1836-ban Wöhlert kinevezték a Göttingeni Egyetem kémiaprofesszorává és élete végéig Göttingenben maradt. Folytatta szerves és szervetlen kémiai vizsgálatait; több elemet és új ásványt állított elő, tanulmányozta a fiziológiailag fontos vegyületeket, például a húgysavat és a kokaint. Néhány vizsgálatot továbbra is Liebiggel végzett.
Wöhler híre nem terjedt el olyan gyorsan, mint Liebigé, akinek giesseni laboratóriuma kémiai kutatóközponttá vált. 1850 után azonban egyre több hallgató utazott Göttingenbe - nemcsak a laboratórium tekintélye, hanem Wöhler személyisége is vonzotta a diákokat. Wöhler elsősorban kiváló tanár volt, és mindennél jobban szeretett tanítani. A laboratóriumi oktatás kevésbé érdekelte és a diplomamunkák irányítását nagyrészt asszisztenseire bízta. A hallgatók nagy szabadságot kaptak a témaválasztásban, és saját nevük alatt publikálhatták eredményeiket. Wöhler az előadásokat tartotta fenn magának, s ezeken remekelt. Tanítványait lebilincselő egyéniségével, életük, gondjaik iránti érdeklődésével is magához vonzotta. Sokukkal folytatott levelezése fennmaradt, és arról tanúskodik, hogy jóval a diákok távozása után is érdeklődött pályájuk iránt.
Publikációs tevékenysége szintén
fontos volt. Berzelius fő munkáinak fordításán
kívül, több fontos szerves, szervetlen és analitikai
kémiai tankönyvet írt. Egyik szerkesztője volt
kora jelentős kémiai folyóiratának, a Justus
Liebigs Annalen der Chemienek. A legtöbb tudományos társaság
tiszteletbeli tagjának választotta, sok érmet és
kitüntetést kapott.