Gustav Friedrich Fröhlich wurde am 21. März 1902 in Hannover geboren. Sein Vater war der Ingenieur Gustav König (1876–1952), Vater des renommierten Soziologen René König (1906–1992); seine Mutter war die Handwerkertochter Hedwig Therese Sophie Fröhlich. Da Gustav als uneheliches Kind zur Welt kam, wuchs er bei Pflegeeltern auf, zunächst in Hannover, dann in Würzburg. Während des Ersten Weltkrieges leistete er 1916/17 Freiwilligendienst in der Presseüberwachung im besetzten Brüssel. Als Obersekundaner schrieb er zwei Folgen der Groschenheft-Serie "Heinz Brandt, der Fremdenlegionär". 1919 begann er ein Volontariat bei der Niedersächsischen Landeszeitung in Celle. Bühnenerfahrungen sammelte er zu dieser Zeit als Rezitator in einem Kino und unter dem Künstlernamen "Gustav Geef" in einem Varieté. Schließlich wurde er Mitglied des Mittelfränkischen Gastspiel-Ensembles in Sontheim und nahm Schauspielunterricht in Heilbronn. Es folgen Engagements am Theater im hessischen Friedberg und am Reisetheater der Schwäbischen Volksbühne.

1921 zog Fröhlich nach Berlin, wo er dank einer Empfehlung von Paul Henckels ein Engagement am Neuen Volkstheater in der Köpenickerstraße erhielt, wo er bis 1923 blieb; danach trat er bis 1925 an der Volksbühne am Bülowplatz auf und gab Gastspiele am Stuttgarter Staatstheater und an Wilhelm Dieterles Dramatischem Theater. 1931 trat er am Deutschen Theater Berlin in der Hemingway-Bearbeitung "Kat" auf, 1932 als Prinz von Homburg unter der Regie von unter Max Reinhardt. 

Nach einer kleineren Nebenrolle in Theo Frenkels niederländisch-deutscher Koproduktion "Ein neues Leben" (1922) verkörperte er in "Paganini" (1923) Franz Liszt. Der große Durchbruch gelang ihm 1926 in Fritz Langs "Metropolis": zunächst als anonymer Arbeiter besetzt, erhielt er vier Wochen nach Drehbeginn die Hauptrolle des aus Liebe rebellierenden Unternehmersohns Freder Fredersen. Obwohl er durch diese Rolle schlagartig zu Ruhm kam, erhielt Fröhlich erst 1928/29 wieder Rollen von Rang, beide Male von Joe May: in "Heimkehr" spielte er als Partner Dita Parlos einen jungen Soldaten, der nach dem Krieg einen Kameraden in der Heimat 'ersetzt', in "Asphalt" wurde er als junger, leicht einfältiger Polizeibeamter zum Opfer einer gerissenen Schmuckdiebin. 1930 verpflichtete ihn Warner Bros. nach Hollywood, wo er unter der Regie von Berthold Viertel ("Die heilige Flamme", 1930) und Wilhelm Dieterle ("Kismet", 1931) in deutschen Versionen amerikanischer Filme mitwirkte. 

In Robert Siodmaks "Voruntersuchung" (1931) gab Fröhlich einen des Mordes verdächtigen Studenten, in "Der unsterbliche Lump" (1930) und "Ein Mann mit Herz" (1932) Lebemänner, in "Liebeskommando" (1931) einen feschen Dragoner. Auch in den nächsten Jahren konnte er nur gelegentlich dem Klischee des smarten Kavaliers entkommen, etwa 1932 in Max Ophüls' Filmmetier-Komödie "Die verliebte Firma": "Äußerlich ganz der Sunny-Boy-Liebhaber der dreißiger Jahre", so Ulrich Kurowski 1977 in der Film-Korrespondenz, "erhält Fröhlichs Figur eine gefährliche Komponente, wenn wir ihn am Schluß mit energischer Miene im Zug hinter der geliebten Frau herfahren sehen. Fröhlichs Entschlossenheit, die tuckernde Mobilität des Zuges – da bahnt sich kein Happy-end an, sondern die Einvernahme einer Frau mit Gewalt."  

Seinen größten Publikumserfolg hatte Fröhlich allerdings als sympathischer Freund und Helfer in Carl Froelichs Krimi "Oberwachtmeister Schwenke" (1935). 1933/34 führte er bei "Rakoczy-Marsch" und "Abenteuer eines jungen Herrn in Polen" erstmals auch Regie.  

Von 1931 bis 1935 war Fröhlich mit der jüdischen Schauspielerin Gitta Alpar verheiratet, die er jedoch (wie sie später berichtete) verließ, um bei den Nazis nicht in Ungnade zu fallen; die Ehe wurde 1935 geschieden, als Alpár schon im rettenden Exil war. Ab 1935 lebte Fröhlich mit Lida Baarová zusammen, mit der er auch die Filme "Barcarole" (1935), "Leutnant Bobby, der Teufelskerl" (1935) und "Stunde der Versuchung" (1936) drehte. Als sie eine Affäre mit dem NS-Propagandaminister Joseph Goebbels begann, kursierte das Gerücht, dass Fröhlich Goebbels in einem heftigen Streit geohrfeigt habe. Auf jeden Fall konnte Fröhlich auch in den nächsten Jahren zahlreiche Filme drehen; häufig spielte er Polizisten, Rechtsanwälte, Offiziere, Ingenieure und andere seriöse Vertrauens- und Autoritätspersonen. 

1941, nach seinen Aufnahmen für Veit Harlans "Der große König", wurde Fröhlich zum Kriegsdienst eingezogen und leistete, unterbrochen von einigen Film-Engagements, 18 Monate Dienst in einem Posener Landschützen-Regiment. Mit durchschnittlich drei Filmen pro Jahr gehörte Gustav Fröhlich neben Hans Albers, Willy Fritsch und Heinz Rühmann zu den populärsten und aktivsten männlichen Stars des NS-Kinos. 

Nach dem Ende der Nazizeit konnte er seine Karriere nahtlos fortsetzen, da er nur vereinzelt in Propagandafilmen mitgewirkt hatte ("Alarm in Peking, 1937; "Der große König", 1942). 1946 erhielt er ein Engagement am Brunnenhoftheater des Bayerischen Staatsschauspiels in München, wo er unter anderem in seinem selbstverfassten Einakter "Die große Pause" auf der Bühne stand. Im gleichen Jahr vertrat er den noch mit Arbeitsverbot belegten Heinz Rühmann in "Sag' die Wahrheit". 

Ab 1947 inszeniert er für Rolf Meyers Junge Film-Union in Bendestorf (bei Hamburg) erneut eigene Filme: "Wege im Zwielicht" (1948), "Der Bagnosträfling" (1949) und "Die Lüge" (1950). Der Versuch, in "Die Sünderin" (1951) seinem angestammten Image des vertrauenswürdigen Charmeurs mit der Rolle des todgeweihten Malers eine tragische Dimension zu verleihen, ging im Trubel des Skandals, den der Film verursachte, weitgehend unter. In den nächsten Jahren folgten noch einige, jedoch weniger bedeutende Filme, zum Beispiel "Ball der Nationen" (1954) mit Zsa Zsa Gabor und "Vergiß, wenn Du kannst" (1956) mit Winnie Markus. Seine letzte Kinorolle hatte er 1960 als Regierungsrat in dem Melodram "...und keiner schämte sich". 

Bis 1953 war Fröhlich Mitglied des Gründgens-Ensembles am Düsseldorfer Schauspielhaus, spielte dann am Berliner Renaissance-Theater und am Schauspielhaus Zürich. Ab 1956 lebte er in Brissago am Lago Maggiore (Schweiz), absolviert Auftritte bei den Festspielen in Bad Hersfeld (1956-60) und Bad Gandersheim; bis 1976 gastierte er an Boulevardbühnen in Deutschland, Österreich und der Schweiz. Gelegentlich engagierte man ihn fürs Fernsehen.  

1972 wurde er mit der Silbernen Plakette der Stadt Salzburg ausgezeichnet, 1973 beim Deutschen Filmpreis mit dem Filmband in Gold für sein Lebenswerk. Gustav Fröhlich, der ab 1941 mit Maria Hajek verheiratet war, starb am 22. Dezember 1987 in Lugano.