Erstmals taucht der Name in einer Urkunde von 1146 auf, in der der freie Edelmann (Edelfrei) Helenger von Frankenstein erwähnt wird. Die Anfänge der Burg werden aber schon früher vermutet, denn um 1100 wird in verschiedenen Urkunden von der Errichtung eines Wehrturms berichtet.
Der Turm gehörte der nahe gelegenen Abtei Limburg, die für die Sicherung der Straße nach Speyer, Dürkheim und Worms zuständig war. Im Jahr 1205 beauftragte das Kloster die Grafen von Leiningen mit dieser Aufgabe. Die Grafen ließen den Turm zu Beginn des 13. Jahrhunderts zu einer Burg ausbauen.
Von 1204 bis 1231 werden die Ritter Marquard, Friedrich und Helenger von Frankenstein als Verwalter der Burg urkundlich erwähnt. Um 1390 wurde die Burg Frankenstein zu einer gemeinsamen Erbburg, als die Abtei Limburg die Hälfte der Burg an die Herren von Einselthum verpfändete. Einen Teil dieser Verpfändung übernahmen zu Beginn des 15. Jahrhunderts die Grafen von Nassau-Saarbrücken und Leiningen-Hardenburg.
In der zweiten Hälfte des 15. Jahrhunderts wurde die Burg in den Kämpfen zwischen Kurfürst Friedrich I. und Pfalzgraf Ludwig I. von Zweibrücken beschädigt. Weitere Schäden erlitt die Burg vermutlich 1512, als der Graf von Nassau sie auf Befehl von Kaiser Maximilian I. eroberte. Im Deutschen Bauernkrieg wurde die Burg zerstört und galt ab 1560 als unbewohnbar. Dennoch diente sie wegen ihrer strategischen Lage militärischen Zwecken.
Im Dreißigjährigen Krieg eroberte der spanische General Ambrosio Spinola die Burg. Im Spanischen Erbfolgekrieg wurde sie zur Unterbringung französischer Truppen genutzt. Es ist belegt, dass diese Truppen noch 1703 die Burgkapelle zur Messe nutzten.
Im Jahr 1706 nahm die Kurpfalz den Nassau-Saarbrücker Anteil der Burg in Besitz.
Nachdem die Pfalz an Bayern gekommen war, wurde die Burgruine 1883-84 gesichert. Ein weiterer Ausbau fand 1938-39 statt.
Heute ist die Burg im Besitz des Landes Rheinland-Pfalz. In den 1970er und 1980er Jahren wurden Teile der Burg restauriert und Fundamente einer bisher unbekannten Schildmauer freigelegt.