Donders nació en la ciudad de Tilburg, en los Países Bajos, y entró en la Universidad de Utrecht como estudiante de medicina a la edad de 17 años. Después de graduarse, ingresó en el ejército como cirujano y, a la edad de 24 años, fue invitado a dar clases en la Military Medical School de Utrecht.
Cinco años después se ofreció a Donders una plaza como extraordinarius en la University of Utrecht, que aceptó, permaneciendo allí el resto de su carrera. En 1865, Donders publicó una comunicación preliminar en la que informaba del trabajo realizado con un estudiante, Johan Jacob de Jaager, y sintetizó más completamente en la disertación doctoral de Jaager, De physiologische tijd bij psychische processen (1865). Concluyendo que el tiempo de reacción era aditivo, Donders evaluó separadamente el tiempo para responder a los estímulos bajo condiciones de elección y de simple no elección. Deduciendo la simple a partir del tiempo de reacción con elección, Donders calculó el intervalo que tomaba el proceso de decisión. En 1868, en un clásico artículo aparecido en alemán, "Die schnelligkeit psychischer Processe", Donders aportó el informe definitivo de los resultados de su obra y su extensión a los tiempos de discriminación. A pesar de que los hallazgos específicos de Donders son actualmente de poco interés, su utilización de la técnica de reacción para medir el tiempo tomado por los procesos mentales ejerció un mayor impacto sobre sus contemporáneos y el tiempo de reacción se impuso, junto con la psicofísica, como uno de los métodos preferidos en los primeros laboratorios experimentales.