В 1939 году в Кембриджском университете Сенгер получил степень бакалавра естественных наук.
Получив в 1943 году докторскую степень, он вошел в исследовательскую группу, возглавляемую Э. Ч. Чибналлом, который как раз перед этим сменил Фредерика Гоуленда Хопкинса в должности профессора биохимии Кембриджского университета. В то время Чибналл занимался изучением химии белков.
В 1955 году Сенгер представил законченную структуру молекулы инсулина. Это была первая белковая молекула, так подробно изученная.
Работа Сенгера имела важные последствия для биохимии и зарождающейся науки – молекулярной биологии. Результаты проведенных им исследований окончательно доказали, что белки состоят из аминокислот, соединенных в цепи пептидными связями. В начале XX века многие химики полагали, что белки представляют собой смесь родственных соединений. Сенгер, однако, установил, что белок – это особое химическое вещество с уникальной структурой и что каждое место в цепи занято определенной аминокислотой. Он также доказал, что ферменты могут разрывать пептидные цепи в заранее установленных местах. Применение этого метода помогло биохимикам определить структуру многих других белков.
В 1958 году Сенгеру была присуждена Нобелевская премия по химии «за установление структур белков, особенно инсулина». В своей Нобелевской лекции С. подчеркнул большое практическое значение проведенной им работы. «Установление структуры инсулина, безусловно, открывает путь к исследованию других белков, – сказал он. – Можно также надеяться, что изучение белков поможет выявить изменения, которые происходят в организме во время болезни, и что наши усилия могут принести человечеству большую практическую пользу».
Еще до получения Нобелевской премии Сенгер занялся изучением генетики. Отчасти это произошло под влиянием дружбы ученого с Фрэнсисом Криком.
В 1958 году Роберт У. Холлы предпринял попытку установить последовательность цепи тРНК.
В начале 60-х годов он и его коллеги разработали такую технологию. Применив ферменты, они разорвали цепи мРНК на более мелкие цепи и проследили последовательность в каждой из них отдельно. Затем на основании заключений о взаимоотношении между фрагментами была определена последовательность во всей цепи.
Такой подход, однако, требовал массы времени и терпения, и Сенгер решил разработать аналитический метод установления последовательности в ДНК. Он добился этого в 1973 году.