Studierte in München mittel- und neugriechische Philologie, wurde dort 1919 promoviert, 1926 habilitiert, war aber zunächst als Bibliothekar an der Münchner Universitätsbibliothek tätig. 1931 übernahm er nach dem plötzlichen Tod seines Lehrers August Heisenberg dessen Lehrstuhl, den er bis zu seiner Emeritierung 1959 innehatte. 

Mit Franz Dölger trat die in Deutschland noch junge Disziplin der "Byzantinistik" in eine neue Phase: die ursprünglich philologisch-literargeschichtliche Ausrichtung wurde ergänzt durch eine quellenkundlich-historische. Grundlegend sind Dölgers "Regesten der Kaiserurkunden des oströmischen Reiches 565-1453" (1924-1965), denen er ein kommentiertes Abbildungswerk beigab: "Faksimiles byzantinischer Kaiserurkunden" (1931). Zugleich wurde Dölger zum Begründer einer "Byzantinischen Diplomatik" (1956), die er sowohl in zahlreichen Einzelbeiträgen wie auch systematisch behandelte: "Byzantinische Urkundenlehre 1: Die Kaiserurkunden" (1968). Die "Byzantinische Zeitschrift", deren Herausgeber er von 1928 bis 1963 war, baute er zum zentralen Fachorgan aus. Eine historische Ausweitung seines quellenkundlichen Ansatzes gab er in seinem Sammelwerk "Byzanz und die europäische Staatenwelt" (1963).