Ф. Эсмарх успешно закончил медицинский факультет Геттингенского университета, после чего некоторое время служил в должности военного хирурга. Начиная с 1857 по 1899 г. он возглавлял хирургическую клинику при Кильском университете.

Ф. Эсмарх принимал участие во франко-прусской кампании (1870-1871) в качестве главного медицинского инспектора прусской армии. Находясь на этом посту, он внес существенный вклад в развитие военно-полевой медицины в целом и хирургии в частности.

Он внедрил в широкую практику щадящие оперативные вмешательства при огнестрельных ранениях, в то время как до него в этой области отдавалось предпочтение радикальным мерам, т. е. полной ампутации конечностей, что часто приводило к летальному исходу.

Ф. Эсмарх является автором ряда оригинальных инструментов, которые до сих пор широко применяются в медицинской практике и носят его имя: это жгут для остановки кровотечения, шина для транспортной иммобилизации конечностей, кружка для постановки клизм и спринцеваний, нож для разрезания гипсовых повязок и др.

Научная деятельность Ф. Эсмарха касалась широкого спектра вопросов хирургии, В 1873 г. им был предложен оригинальный для своего времени способ остановки кровотечения при операциях на конечностях. Также Ф. Эсмарх одним из первых в Германии занимался изучением хлороформного наркоза при оперативных вмешательствах.

Ф. Эсмарх стоял у истоков организации Немецкого общества хирургов, чьим почетным членом являлся он сам.