Franz Dahlem wurde am 14. Januar 1892 als Sohn eines Eisenbahnarbeiters in Rohrbach (Lothringen) geboren. Er besuchte das Realgymnasium und arbeitete nach dem Abschluss einer kaufmännischen Lehre in einer Kölner Exportfirma. 1911 wurde er Gewerkschaftsmitglied, 1913 trat er der SPD ein und wirkte vor allem als Jugendfunktionär, zuletzt als Vorsitzender der Kölner Jungsozialisten. Während des ersten Weltkrieges leistete er als Soldat antimilitaristische Arbeit an der Front und im Hinterland.
In der Novemberrevolution kämpfte Franz Dahlem als Mitglied des Arbeiter- und Soldatenrates zunächst in Allenstein (Ostpreußen) und danach in Köln für die Verwirklichung der Losung: Alle Macht den Räten! Als Redakteur der vom ihm mitbegründeten USPD-Zeitung „Sozialistische Republik“ setzte er sich aktiv für de Anschluss der USPD an die Kommunistische Internationale und für die Vereinigung mit der KPD ein. Er nahm im Dezember 1920 am Vereinigungsparteitag der linken USPD mit der KPD teil und wurde als Vertreter des Bezirks Mittelrhein in den Zentralausschuss der Partei gewählt. 1921/1922 arbeitete er in Berlin als Redakteur der „Internationalen Presse-Korrespondenz“. Nach der Besetzung des Ruhrgebietes durch französische Truppen im Januar 1923 half Franz Dahlem, im Ruhrgebiet, am Mittelrhein und im Saarland den Kampf gegen den französischen und deutschen Imperialismus zu organisieren. Im Auftrag der Zentrale der KPD fuhr er in dieser Zeit nach Paris und beriet mit der französischen Bruderpartei die Koordinierung des Kampfes der deutschen und französischen Kommunisten gegen den gemeinsamen Feind.
Seit 1923 arbeitete Franz Dahlem in der Zentrale der KPD und erwarb sich besonders der Durchsetzung der Leninschen Organisationsprinzipien in der Partei große Verdienste. Als kommunistischer Parlamentarier setzte er sich stets für die demokratischen Rechte und sozialen Lebensinteressen der Werktätigen ein, zunächst von 1920-1923 als Stadtverordneter in Köln, von 1921-1924 im Preußischen Landtag und seit 1928 als Reichstagsabgeordneter. Seit 1927 war Franz Dahlem Mitglied des ZK der KPD, seit 1929 Mitglied des Politbüros. Er gehörte zu den leitenden Funktionären der Partei und engen Kampfgefährten Ernst Thälmanns im Ringen um die Aktionseinheit der Arbeiterklasse und die Entfaltung einer breiten antifaschistischen Massenbewegung zur Abwehr der drohenden faschistischen Gefahr. Auf Vorschlag Thälmanns übernahm er 1930 die Leitung der Revolutionären Gewerkschaftsopposition (RGO) und kämpfte besonders für die Einbeziehung der Millionen Gewerkschafter in die antifaschistische Einheitsfront.
Im Mai 1933 ging Franz Dahlem auf Beschluss der Parteiführung gemeinsam mit Wilhelm Pieck und Wilhelm Florin nach Paris und unterstützte von hier aus die Organisierung des antifaschistischen Widerstandskampfes in Deutschland. 1934 war er fünf Monate in Berlin illegal tätig. 1935 nahm er am VII. Weltkongress der Kommunistischen Internationale teil und wurde in das Exekutivkomitee (EKKI) gewählt. Auf der Brüsseler Parteikonferenz referierte er über „Parteiaufbau und Massenarbeit“. Erneut in der ZK und Politbüro gewählt, setzte er sich vor allem für die Zusammenarbeit von KPD und SPD und für die Entfaltung der Volksfrontbewegung ein. Ende 1936 reiste Franz Dahlem im Auftrag des EKKI nach Spanien und kämpfte als Mitglied der Zentrale Politischen Kommission der internationalen Brigaden an der Seite des spanischen Volkes gegen die Franco-Faschisten. 1938/1939 leitete er das Sekretariat des ZK der KPD in Paris und war maßgeblich an der Vorbereitung und Durchführung der Berner Parteikonferenz beteiligt, auf der er über die Einheitsfront- und Volksfrontpolitik der KPD referierte.
Bei Ausbruch des zweiten Weltkrieges wurde Franz Dahlem im KZ Le Vernet (Südfrankreich) interniert und 1942 von der Vichy-Regierung an die Gestapo ausgeliefert. Standhaft ertrug er acht Monate Bunkerhaft in der Berliner Gestapozentrale Prinz-Albrecht-Straße. Im KZ Mauthausen setzte er 1943-1945 als Mitglied der illegalen internationalen Lagerleitung unerschrocken den Kampf gegen die Faschisten fort.
Nach der Zerschlagung Hitlerdeutschlands war Franz Dahlem führend an der Vereinigung von KPD und SPD beteiligt. Von 1946-1949 leitete er als Mitglied des Parteivorstandes der SED und dessen Zentralsekretariats, von 1949-1953 als Mitglied des Politbüros die Organisations- und
Kaderarbeit der Partei. Seit Mitte der fünfziger Jahre leistete er als Mitglied des ZK der SED und seit 1963 als Abgeordneter der Volkskammer in leitenden staatlichen Funktionen, zuletzt als stellvertr. Minister für Hoch- und Fachschulwesen, einen bedeutenden Beitrag zur Entwicklung der Wissenschaftspolitik der Partei und Regierung und zur Ausbildung und Erziehung qualifizierter wissenschaftlicher Kader.
Als Präsident der Deutsch-Französischen Gesellschaft der DDR, als Vorsitzender des Solidaritätskomitees für das spanische Volk und Mitglied des Präsidiums des Komitees der Antifaschistischen Widerstandskämpfer trug Franz Dahlem dazu bei, das internationale Ansehen der DDR zu erhöhen und ihr in zahlreichen Ländern neue Freunde zu gewinnen. Die französische Stadt Ivry-sur-Seine ernannte ihn 1971 zu ihrem Ehrenbürger.
Franz Dahlem starb am 17. Dezember 1981.