Frédéric-Michel Toulmouche naît à Nantes le 4 août 1850, au sein d'une famille aisée comptant plusieurs artistes : le peintre Auguste Toulmouche, figure du réalisme académique parisien, était son cousin. Après ses études au lycée de Nantes, il gagne Paris pour se former à la composition au Conservatoire, dans la classe de Victor Massé, lui-même auteur reconnu d'opéras comiques.
Toulmouche oriente sa carrière vers la musique de théâtre légère destinée aux petites scènes parisiennes. Il se fait connaître comme compositeur d'opéras comiques et d'opérettes, genres alors très prisés du public de la Belle Époque. Parmi ses ouvrages les plus appréciés figurent La Veillée des noces (1888), Mademoiselle ma femme (1893), La Perle du Cantal (1895), La Saint-Valentin (1895) et Tante Agnès (1896).
La Saint-Valentin, opérette en trois actes sur un livret de Maurice Ordonneau (1854-1916) et Fernand Beissier, publiée en 1895 chez Choudens à Paris, demeure l'une de ses partitions les plus représentatives. Son air « Le flirt, ô passe-temps charmant » a connu une seconde vie à l'époque contemporaine, notamment grâce aux actions de redécouverte du répertoire français menées par le Palazzetto Bru Zane.
Sur le plan familial, Toulmouche épouse Marie-Louise Dureau, veuve du peintre belge Gustave de Jonghe (1828-1893). Son beau-fils, Frédéric Louis de Jonghe (1886-1923), devint son collaborateur artistique sous le nom d'Eddy Toulmouche.
Dans la dernière partie de sa carrière, Toulmouche compose des partitions de ballets pour les music-halls français et exerce les fonctions de chef de chant (vocal coach) à l'Opéra-Comique de Paris. Une hémorragie cérébrale survenue en 1908 affecte ses dernières compositions, parmi lesquelles des ouvrages collaboratifs comme La Môme Flora (1908) et Chez la somnambule (1909).
Frédéric Toulmouche meurt à Paris le 23 février 1909, à l'âge de 58 ans. Il est inhumé au cimetière parisien de La Chapelle le 25 février 1909. Son œuvre, longtemps oubliée, témoigne de la vitalité de l'opérette et de l'opéra comique français de la fin du XIXe siècle.
