Frederick Carlton Lewis 1961. július 1-jén született az alabamai Birminghamben. Három testvérével a New Jersey-i Willingboróban nőtt fel, ahol szülei egy atlétikai klubot vezettek. Tizenhárom évesen, apja irányításával kezdett komolyan atletizálni, s miután az addig alacsony termetű fiú 15 éves korában hirtelen megnyúlt, egyre jobb eredményeket ért el. Még tinédzser volt, amikor 1979-ben 8,13 méteres ugrással országos rekordot állított fel, s a világranglistán az ötödik helyre jött fel.
Számtalan sportösztöndíj-ajánlata közül a Houstoni Egyetemét fogadta el, ahol Tom Tellez lett az edzője, együttműködésük Lewis karrierjének végéig folytatódott. 1981-ben az Egyesült Államok legjobb amatőr sportolójának választották meg, miután az egyetemi bajnokságon a 100 métert és a távolugrást is megnyerte - erre a bravúrra korábban egyetlen ember, Lewis példaképe, Jesse Owens volt csak képes.
Az 1980-as moszkvai nyári olimpiai játékokon az amerikai bojkott miatt nem lehetett ott, de négy évvel később - az ezúttal a szocialista országok által bojkottált - Los Angeles-i olimpián már abszolút esélyeshez méltón szerepelt. Négy számban indult és mind a négyben - a 100 és 200 méteres síkfutásban, a 4x100 méteres váltóban és távolugrásban - első lett, megismételve Jesse Owens 1936-os, felülmúlhatatlannak tartott teljesítményét. Őt mégsem övezte olyan lelkesedés, mert a távolugrásban a négy aranyéremre koncentrálva csak egy kísérletet vállalt, amivel be is biztosította győzelmét, holott mindenki azt várta, hogy megdönti Bob Beamonnak az 1968-as mexikóvárosi olimpián felállított, megdönthetetlennek hitt 8,90 méteres világrekordját. A szerénységet is hiányolták belőle, mert sokak számára visszatetsző módon ünnepelte magát, a róla kialakult negatív kép miatt lemaradt a Nike relámszerződéséről.
Az 1988-as szöuli olimpián a távolugrást megnyerte, 200 méteren második lett, a 4x100 méteres váltóval azonban váltási hiba miatt nem jutott döntőbe. A legnagyobb érdeklődést világszerte a 100 méteres síkfutás döntője keltette, amelyben a világbajnokságon őt korábban már legyőző kanadai Ben Johnsonnal csapott össze. Johnson 9.79-es álomidővel ezúttal is megverte, hiába futotta Lewis 9.92-vel élete legjobbját. A kanadai sprinter azonban három nappal később megbukott a doppingvizsgálaton, így aranyérmét elvették és Lewist nyilvánították győztessé - ez volt a múlt évszázad egyik legnagyobb sportbotránya.
Az 1991-es tokiói világbajnokságon futotta talán legnagyobb száz méterét: a döntőben hatan kerültek tíz másodperc alá, de Lewis győzött, s 9.86-tal világcsúcsot ért el. Ugyancsak Tokióban távolugrásban hatalmas küzdelmet vívott honfitársával, Mike Powell-lel. Lewis, aki akkor már egy évtizede nem kapott ki a versenyszámban és 65 versenyt nyert meg sorozatban, a negyedik körben egy centivel túlugrotta a 890 centit, de ezt a megengedettnél nagyobb hátszél miatt nem hitelesítették világrekordként. Powell következő kísérletére 895 centiméterre szállt, amire Lewis már nem tudott válaszolni és "csak" ezüstérmes lett. A ma is érvényes 895 centis világrekord és Lewis az utolsó két körben elért 887 és 884 centiméteres ugrása ma is a három legjobb nem magaslaton elért eredmény.
Lewis 1992-ben Barcelonában távolugrásban ismét győzött, miként a 4x100 méteres váltóval is. 1996-ban hazai pályán, Atlantában távolugrásban - immár 35 évesen - megszerezte kilencedik olimpiai aranyérmét, s a harmadik lett, aki sorozatban négyszer győzött ugyanabban az egyéni versenyszámban.
Szédületes sportpályafutását a következő évben fejezte be, összességében kilenc olimpiai és nyolc világbajnoki aranyérmet szerzett. A 100 méteres távot 15 alkalommal teljesítette 10 másodperc alatt, a 200 métert tízszer 20 másodperc alatt, távolugrásban 71-szer ért el 850 centiméter feletti eredményt. Képességeire jellemző, hogy bár sohasem foglalkozott komolyan más sporttal, 1984-ben a Dallas Cowboys amerikaifutballcsapat és a Chicago Bulls kosárcsapata is draftolta.
Visszavonulása után több filmben is feltűnt, legtöbbször saját magát játszotta és a nevét nem tüntették fel. 2011-ben megpályázta New Jersey állam törvényhozásának egyik szenátori székét, de formai okok miatt kizárták a jelöltek közül. Jól menő tanácsadó cége van, hírnevét jótékonysági célokra használja, alapítványa a fitneszt népszerűsíti. Az utóbbi években edzősködik is, jelenleg a női távolugrásban világbajnoki címvédő Malaika Mihambo edzője.
1982-ben, 1983-ban és 1984-ben az év atlétájának választották, 1985-ben Jesse Owens díjjal tüntették ki, 1999-ben a Nemzetközi Olimpiai Bizottság az évszázad atlétájának, 2001-ben az amerikai Sports Illustrated a század olimpikonjának nyilvánította, a Houstoni Egyetemen sportközpontot neveztek el róla, nevét viseli egy kisbolygó is.
