Winterhalter urodził się w małej wsi – Mezenschwand, w Schwarzwaldzie. Był szóstym z ośmiorga rodzeństwa, jego ojciec był rolnikiem.
Winterhalter poznawał tajniki malarstwa we Freiburgu i w Monachium. W 1828 r. poznał księżną Badenii – Zofię i uzyskał zlecenia na jej portrety. W 1834 r. wyjechał do Paryża, gdzie szybko stał się popularny. Najpierw malował dla króla Ludwika Filipa, a później zdobył posadę na dworze cesarza Napoleona III. W 1841 r. na prośbę królowej angielskiej – Wiktorii I, przybył do Anglii.
W czasie swojej kariery sportretował większość koronowanych głów Europy. Na początku jego styl był dość "konserwatywny" i "staromodny", jego cechą charakterystyczną była gładka, jak gdyby emaliowana powierzchnia. Później jego warsztat ulegał stopniowym przeobrażeniom. W jednej z jego najsłynniejszych prac – wizerunku przedstawiającym austriacką cesarzową Elżbietę (1864 r.) widoczna jest już duża swoboda w technice malarskiej. Drugim jego słynnym dziełem jest obraz przedstawiający francuską cesarzową Eugenię, który zdobył dużą sławę na wystawie w 1853 r. Pod koniec życia, duża część jego obrazów powstawała od razu, bezpośrednio na płótnie, bez dokonywania wstępnych szkiców.
Winterhalter przez cały okres swojej twórczości nie był poważnie traktowany przez krytyków, którzy zarzucali mu "sztuczność" i "nienaturalność". Był natomiast ceniony przez swoich bogatych patronów z możnych rodzin i zawsze był wziętym malarzem w tych kręgach.[potrzebny przypis]