Nato nel Canton Ticino, iniziò a lavorare a Milano come scalpellino. Già dal 1621 è a Roma, dove è prima tra gli aiuti del Maderno e poi del Bernini, col quale non intratterrà mai buoni rapporti, giungendo ben presto ad un drammatica rottura e ad una rivalità che durerà tutta la vita.
Prima opera autonoma di Borromini, che per il carattere chiuso e scontroso non amerà circondarsi di collaboratori, è la chiesa di San Carlo alle Quattro Fontane (1634), in cui già sono evidenti i caratteri di tutta la sua arte: l'andamento curvilineo delle superfici, l'utilizzo di forme geometriche complesse, i volumi costruiti da un continuo contrasto tra concavo e convesso, contrazioni e dilatazioni, forze interne ed esterne.
Lavora poi ai progetti per Palazzo Carpegna, all'Oratorio e al Convento dei Filippini, alla chiesa di Sant'Ivo alla Sapienza.
Con l'avvento al soglio pontificio di papa Innocenzo X Pamphili, inizia per Borromini il periodo di maggior fortuna, quello delle commissioni papali: il restauro di San Giovanni in Laterano, il convento e la chiesa di Santa Maria dei Sette Dolori, la ristrutturazione del palazzo Falconieri, la chiesa di Sant'Agnese in piazza Navona.
I contrasti che accompagnano i lavori in Sant'Agnese portano al suo esonero dall'incarico nel 1657, anno che segna l'inizio del periodo più tormentato e difficile per l'artista; la crisi interiore è aggravata dal mancato compimento di diversi progetti, tra cui la cupola e il campanile di Sant'Andrea delle Fratte, amarezza che non viene placata neanche dalla realizzazione del monumentale complesso del palazzo di Propaganda Fide.
Negli ultimi anni Borromini si dedica al completamento di alcune opere già realizzate e alla facciata di San Carlo, ultima sua fatica prima del tragico suicidio.