Frans Mortelmans werd geboren op 1 mei 1865 als oudste zoon uit een gezin van zes. Hij groeide op in de Antwerpse Sint-Paulusparochie.

Oorspronkelijk wou zijn vader Karel Mortelmans, die een drukkerszaak had in de Zirkstraat te Antwerpen, dat Frans de Muziekacademie zou volgen en kocht voor hem een piano. Het was de tweede zoon Lodewijk, die de piano inpalmde en die zijn lessen bij de tekenacademie doorgaf aan Frans. Zo gebeurde het dat Frans een bekend bloemenschilder werd en Lodewijk een bekende componist.

Frans Mortelmans studeerde aan de Antwerpse Kunstacademie van 1876 tot 1887 onder Lucas Schaefels (1824-1885) en Charles Verlat (1876-1886) en aan het Hoger Instituut voor Schone Kunsten van Antwerpen (NHISKA) van 1887 tot 1891 onder Albrecht De Vriendt (1887–1891). Hij was ook enige tijd een leerling van Frans Van Leemputten. Na een scholing van 15 jaar, begint hij een loopbaan als kunstschilder.

Ondanks de veelzijdigheid van zijn opleiding, specialiseerde Frans Mortelmans zich vanf 1892, na de oprichting van zijn eigen atelier, in het schilderen van zeer decoratieve en harmonieuze composities van bloemen en stillevens. Zijn stijl was zeer virtuoos en flatterend, kleurrijk, maar toch ingehouden en nooit schreeuwerig. Hij was een erg productief schilder.
Hij woonde in de Lamorinièrestraat te Antwerpen.

Frans Mortelmans zijn voornaamste periode situeert zich juist voor en na de eeuwwisseling. Hij was zeker een van de meest getalenteerde schilders van bloemen en stillevens. Zijn eigenheid was onmiskenbaar (waaronder clair-obscur). Het impressionisme inspireerde de laat-romanticus, zonder de ware weergave van zijn onderwerpen te verloochenen.

Frans Mortelmans schilderde ook enkele portretten, interieurs met figuren en stillevens met groenten, zeevruchten, paddenstoelen, fruit, kaas of hesp. De bloemstukken halen numeriek de bovenhand. Binnen deze categorie zijn de voorstellingen van rozentuilen het talrijkst. De rozenschilderijen bezorgen hem ruime waardering.
Door aankoop van een werk in 1903 door het Koninklijk Museum voor Schone Kunsten te Antwerpen kreeg hij officiële erkenning. Tijdens zijn vakanties aan de kust schilderde hij vissersboten en strandtaferelen. In zijn buitenverblijf te Kalmthout waren het dan weer buitengezichten op de tuin en de heide.
Van zijn hand zijn er 850 werken bekend.

Evenals zijn broer Lodewijk was Frans lid van de kunstkring De Scalden (1889-1914), (opgericht in Antwerpen met Jules Baetes als voorzitter). Tevens was hij lid van Arte et Labore (Antwerpen), De Hulst en De Distel (Mechelen), en nam hij vanaf 1889 actief deel aan de activiteiten en tentoonstellingen in België die georganiseerd worden ter promotie van de kunst in al zijn vormen.

In die periode was hij één van de kunstenaars die zijn werken vlot wist te verkopen zowel in België als in het buitenland. Zo ondernam hij een reis naar de Scandinavische landen met een ganse lading schilderijen (aantal, werken en landen onbekend), en verkocht ze allemaal. (familie getuigenis)

Frans Mortelmans (benoemd in 1901) was vele jaren professor stillevenschilderen aan de Academie van Schone Kunsten van Berchem en was er waarnemend directeur tijdens zijn laatste dienstjaren tot in 1935. Tot zijn bekendste leerlingen daar behoorden Joris Minne en Antoon Mastboom.

Frans Mortelmans gaf eveneens privélessen, ondermeer aan Gravin Romania du Bois d'Aische, echtgenote van Ridder Mayer van den Bergh (zie blz. 163 'Kasteel Hof ter Linden Edegem' door Linda De Keuster), en aan zijn neef, de latere pastelschilder Franck Mortelmans (1898-1986), en aan Mevr. Van Ingelghem uit Luxemburg.

In 1892 trouwt hij met Marie Fontaine. Het koppel bleef kinderloos.