Фредерик Райнес родился в семье евреев - иммигрантов из Российской империи. Он окончил Технологический институт Стивенс в Хобокене, Нью-Джерси, в 1941 г. получил степень магистра по математической физике, докторскую диссертацию защитил в Нью-йоркском университете в 1944 г.

В 1944-59 гг. Райнес был сотрудником теоретического отдела Лос-Аламосской национальной лаборатории в Нью-Мексико, под руководством Ричарда Фейнмана работал над проектом "Манхэттен". Через год после начала работы Райнес стал руководителем группы, а в 1951 г. - директором "Операции Теплица", в рамках которой было проведено много экспериментов, связанных с атомной энергией. Райнес занимался обработкой результатов испытаний бомб, обобщил основные понятия об эффектах ядерных взрывов, в том числе взрывной воздушной волны.

С 1951 г. Райнес занимался исследованием нейтрино, используя в качестве источника нейтрино атомный реактор в Хэнфорде, штат Вашингтон. В 1953 г. у него появилась возможность продолжить эти исследования на новом реакторе в Саванна Ривер (Южная Каролина). Работая в творческом тандеме с Клайдом Коуэном, Райнес доказал существование нейтрино, элементарной частицы, предсказанной в 1930 г. Вольфгангом Паули. Работы Райнеса и Коуэна лежат в основе всех современных методов обнаружения нейтринного излучения. За это открытие Ф. Райнес (совместно с Мартином Перлом) был удостоен Нобелевской премии по физике за 1995 год. (Коуэн, его соавтор по открытию, умер в 1974).

Научная деятельность Райнеса протекала параллельно с его академической карьерой. В 1959-66 гг. он - профессор, руководитель физического факультета в Технологическом институте Кейз в Огайо. В 1966 г. вместе со своей исследовательской группой перешел в Калифорнийский университет в Ирвине, где стал основателем и деканом (1966-74) физического факультета. Райнес был также профессором радиобиологии в Медицинском колледже Калифорнийского университета. Большой интерес вызывали его научно-популярные лекции в различных организациях, в том числе в Израильской академии наук и искусств, в Стэнфордском университете, в Университете Мэриленда.

Райнес был лауреатом многих других престижных наград, в том числе премии им. Роберта Оппенгеймера (1981), премии Бруно Росси, присуждаемой Американским астрономическим обществом (1989), премии Майкельсона-Морли (1990), премий Американского физического общества и Фонда Гуггенхайма. В 1983г. он был награждён Национальной научной медалью США. Райнес состоял членом Американской академии гуманитарных и естественных наук (с 1966 г.), членом Американской национальной академии наук (с 1980 г.) и др. В 1958 г. он был делегатом Женевской конференции "Атомы для мира". Ему было присвоено звание почётного доктора университета в Йоханнесбурге.

Имя Фредерик - от древнегерманского имени Frederich: frithu - "мир" и  riki - "богатый" или "вождь". Фамилия Райнес - матроним от идишского имени Райне - "царица", использовавшегося вместо ивритского Malka с тем же значением.