Il débute au cinéma avec un court-métrage auquel collabore Alain Robbe-Grillet. Puis il réalise en 1975 et 1976, deux longs-métrages présentés au festival de Cannes, Les discours du maître (sélection Henri Langlois) et L’Eden palace -avec Michael Lonsdale (Perspectives du cinéma français).

En 1980, il reçoit le Grand Prix du festival de Clermont-Ferrand pour son court-métrage Du crime considéré comme un des beaux-arts, avec Michel Piccoli. En 1982, le prix spécial du Jury des Grands Prix de télévision de la Société des gens de lettres récompense son documentaire-fiction Buenos-Aires allers et retours dans lequel figure J-L Borges..
Il est lauréat du Prix Médicis Hors les Murs.

En 1986, sort dans 12 salles à Paris « Résidence Surveillée« , long métrage avec Jacques Bonnaffé et Maria Schneider. Il a réalisé des fictions pour France 2 et Arte -avec Anne Wiazemsky, Denise Chalem, Michéle Laroque, Philippe Clévenot, Charles Berling, Jean-Pierre Kalfon, Said Taghmaoui, Aurelien Recoing, .

Il a réalisé plus de soixante films documentaires, dont « Montoneros, une histoire argentine « , « Cindy rêve d’argent« , « Commis d’office« -meilleur documentaire de l’année 2001 décerné par le Sénat- « Le monde selon Brice » Prix Adolphe Grimm- Pour la collection Architectures, il a réalisé « le Bauhaus », « le Bâtiment Johnson » -Prix Métropole du Festival International du Film sur l’art de Montréal 2002- « la Casa Mila » et « l’Alhambra ». « Eads-Airbus » a reçu le Grand Prix Franco-Allemand du journalisme de télévision (Berlin, 2010). Une Etoile de la Scam a été attribué à « Sauve qui peut la retraite » et « l‘oeil de verre » a reçu de multiples récompenses. « Guillaume le Conquérant » et « Emirats ou les mirages de la puissance » ont été de très grands succès d’audience -rediffusés à plusieurs reprises.

Depuis toujours Frédéric Compain poursuit un travail entre fiction et documentaire, documentaire et fiction. Romans du réel.