Freddie Highmore a grandi dans une famille habituée au monde du spectacle : sa mère est agent et son père, ne s'occupant plus désormais que de son fils, a été acteur.
Il a commencé par des petits rôles pour la télévision à l'âge de sept ans.
En 2004, il a effectué une percée importante avec son rôle de Peter dans Neverland et a reçu plusieurs nominations et récompenses pour ce rôle, y compris une récompense de critiques de film d'émission et une nomination à la Screen Actors' Guild Award. Une amitié avec Johnny Depp est née pendant le tournage, qui l'a recommandé pour le rôle de Charlie dans
Charlie et la Chocolaterie l'année suivante.
Il prête la voix au personnage Arthur, en 2007, dans Arthur et les Minimoys de Luc Besson et devient un surdoué de la musique dans August Rush de Kirsten Sheridan aux côtés de Keri Russell, Jonathan Rhys Meyers et Robin Williams.