Nato in quel di Mamer, piccolo comune nell'altrettanto piccolo stato di Lussemburgo, il 4 Novembre 1899, crebbe nell'ambito di una famiglia contadina, ma non per questo povera; nella casa in cui Frantz trascorse l'infanzia non si patì mai la fame, ed il ragazzo trovò forse anche per questo il modo di dedicarsi, più che al lavoro, al ciclismo, hobby che ben presto divenne professione.
Dotato di un fisico eccezionale, molto potente (pesava circa 80 kg) ma allo stesso tempo agile anche sulle salite più dure, divenne presto un simbolo per la sua piccola nazione, che grazie a lui riuscì a primeggiare nel ciclismo.
Grazie alle proprie qualità atletiche, unite comunque ad una classe notevole, fin dai primi anni tra i professionisti Frantz cominciò a mietere vittorie.
Debuttò al professionismo nel 1922, quando aveva 23 anni, e subito si impose come campione nazionale del Lussemburgo, titolo che avrebbe mantenuto ininterrottamente fino al ritiro dalle competizioni, nel 1934.
Oltre ai titoli di campione lussemburghese su strada, Frantz già nel 1922 e nel 1923 ottenne risultati importanti, vincendo due volte consecutive il GP Faber, corsa dedicata alla memoria di un suo illustre connazionale che seppe imporsi al Tour negli anni precedenti la prima guerra mondiale. Inoltre vinse la Paris-Lyon, la Paris-Reims e la Paris-Calais.
Nel 1924 il campione lussemburghese si sentiva ormai maturo per tentare la grande avventura del Tour de France, e prese il via con il team Alcyon, una delle squadre più forti dell'epoca insieme alla Automoto.
Fece le prove generali al Giro del Belgio, che chiuse al secondo posto vincendo inoltre una tappa.
Alla partenza della Grand Boucle 1924 non era facile individuare i favoriti. Molti dei vincitori delle recenti edizioni sembravano ormai in fase calante: Henri Pelissier, vincitore del 1923, aveva 34 anni e una infinita voglia di polemiche più che di pedalate; Firmin Lambot, vincitore del 1922, era un 38enne alle ultime corse della carriera; Leon Scieur, che si affermò nel 1921, aveva 36 anni ed era reduce da due ritiri consecutivi nel 1922 e 1923.
Si era di fronte ad un cambio generazionale, che però doveva ancora trovare i nomi attraverso i quali esprimersi.
In un contesto del genere, Frantz si inserì a meraviglia, dimostrando fin da questa sua prima partecipazione tutto il proprio valore. Chiuse con all'attivo due vittorie di tappa, un secondo ed un terzo posto, e con il 2° posto nella classifica generale, dietro ad Ottavio Bottecchia.
Per lui in quella stagione, arrivò anche un brillante secondo posto nella Paris-Tours, una delle classiche più ambite dell'epoca.
A soli 25 anni, Frantz sembrava ormai pronto per diventare uno dei punti di riferimento per il movimento ciclistico, e le stagioni a venire confermarono le aspettative.
Il 1925 vide il campione lussemburghese affermarsi nel Gran premio delle Ardenne e nella Luxembourg - Remich, classiche minori; ma vide anche un brillante 3° posto alla Paris-Bruxelles, ed un Tour de France da protagonista. Per lui 4 vittorie di tappa, e ben 11 arrivi tra i primi tre sui traguardi della Grand Boucle. Ma il fisico robusto impedì a Frantz di essere competitivo sulle salite più dure, e questo gli costò in termini di classifica generale, dove chiuse al 4° posto; anche quel Tour venne vinto da Bottecchia, appartenente al team Automoto, e sul secondo gradino del podio chiuse Lucien Buysse, gregario di Bottecchia.
Il 1926 vide finalmente Frantz affermarsi in una importante corsa a tappe; non fu però il Tour de France, bensì la Vuelta al Pais Vasco, il Giro dei Paesi Baschi, all'epoca la più importante e prestigiosa corsa spagnola, dove Frantz chiuse vittorioso aggiudicandosi anche due tappe. Per il lussemburghese arrivarono anche due vittorie in classiche minori, un 3° posto alla Parigi-Tours ed un Tour de France da protagonista, ma non da vincitore.
Il 1926 fu l'anno in cui abdicò "Botescià", al secolo Ottavio Bottecchia; il vincitore del Tour 1924 e 1925 patì una condizione approssimativa e soffrì oltremodo le avverse condizioni atmosferiche incontrate sui Pirenei, lasciando così via libera al suo gregario di lusso, il belga Buysse; questi, già secondo nel 1925, fece valere la propria esperienza ed il proprio coraggio, oltre alle indiscusse qualità di scalatore, e proprio sui Pirenei guadagnò su Frantz un vantaggio rivelatosi poi incolmabile. Per Frantz, dopo il 2° posto del 1924 ed il 4° del 1925, ci fu un nuovo 2° posto, coronato da 4 vittorie di tappa e 3 secondi posti.
Al via del Tour 1927 non si presentò il team Automoto, dalle cui fila erano usciti i vincitori delle ultime 4 edizioni (Pelissier, due volte Bottecchia e Buysse).
Quell'edizione del Tour fu contraddistinta da un particolare sistema di partenze, con le diverse squadre che prendevano il via scaglionate ad intervalli di 15 minuti, allo scopo di rendere più interessanti le tappe; l'idea si rivelò però un fiasco, dal momento che portò solamente grande confusione tra gli spettatori. Fu inoltre un Tour particolarmente duro, articolato su ben 24 tappe distribuite nell'arco di un mese.
La prima maglia gialla fu Francis Pelissier, fratello del più famoso Henri, e fino alla 10° tappa non ci furono grandi scossoni nella classifica generale, con la leadership che passò di volta in volta sulle spalle di corridori destinati a recitare ruoli secondari sulle salite più impegnative.
E quando si arrivò sui Pirenei, Frantz attaccò, fece il vuoto e prese la maglia gialla, per non mollarla più fino a Parigi. Per lui alla fine 3 vittorie di tappa, 3 secondi posti e 3 terzi posti, ma soprattutto la vittoria nella classifica generale con un vantaggio abissale sul secondo, il belga De Waele suo compagno di squadra, che chiuse ad 1 ora e 48 minuti di distacco.
Il 1927 ed il 1928 furono le stagioni migliori per Frantz: nel 1927 oltre al Tour vinse la Paris-Bruxelles e la Paris-Longwy, chiuse 2° nel prestigioso GP Wolber e si mise in buona luce con piazzamenti importanti anche al Giro del Belgio ed alla Vuelta al Pais Vasco.
Nel 1928 invece vinse la Agen-Toulouse e la Paris-Rennes, ripetè il 2° posto al GP Wolber e giunse 2° anche alla Paris-Bruxelles.
Dominò inoltre il Tour de France come nemmeno l'anno prima era riuscito a fare. Indossò la maglia gialla al termine della prima tappa e la portò fino a Parigi senza mai cederla, dimostrandosi superiore su tutti i terreni, pianura, sprint, salita. Per lui alla fine 5 vittorie di tappa, 6 secondi posti e due terzi posti; nella classifica finale Frantz precedette il francese Leducq, secondo classificato e suo compagno di squadra, di ben 50 minuti. Anche in quel Tour l'organizzazione mantenne il sistema a partenze scaglionate, con intervalli di 10 minuti tra le diverse squadre, nonostante tale artificio fosse risultato tutt'altro che un successo nell'edizione precedente.
Quel Tour fu al contempo il punto più alto della carriera di Frantz e l'inizio del suo declino.
Seppur giovane rispetto ad altri campioni dell'epoca, nel 1929 a soli 30 anni il poderoso atleta lussemburghese mostrò i primi segni di un declino ormai imminente. Certo, per lui ci furono alcune affermazioni, tra cui la Paris-Tours e due tappe al Tour, ma il 5° posto finale alla Grand Boucle non poteva soddisfarlo; da notare come in quel Tour brillò l'italiano Giuseppe Pancera, che chiuse al 2° posto nella classifica generale dietro al belga Dewaele.
Per Frantz invece in stagione arrivarono anche altri risultati, tra cui i piazzamenti al 3° posto nella Parigi-Bruxelles ed alla Vuelta al Pais Vasco, ed un brillante 2° posto nel campionato mondiale, dietro al belga Ronsse e davanti ad Alfredo Binda.
Furono gli ultimi squilli per lui.
Nel 1930 e nel 1931 solamente vittorie in corse secondarie, come il GP Faber vinto nel 1930 e le due tappe al Giro di Germania 1931. Non prese parte al Tour, dove invece tornò nel 1932 per chiudere con un modesto 45° posto.
Alla fine del 1932, per alcune settimane sembrò di rivedere il Frantz di una volta, quando vinse la Paris-Nancy-Paris e la Tournai, classiche non prestigiosissime ma comunque di buon valore, e soprattutto colse il 3° posto al campionato mondiale, dietro agli italiani Binda e Bertoni.
Poi però non seppe ripetersi, e chiuse la carriera a 35 anni nel 1934.
Dopo aver appeso la bici al chiodo, Frantz restò nel mondo del ciclismo per diversi anni con il ruolo di direttore sportivo, dove ebbe anche l'opportunità di guidare un altro lussemburghese, Charly Gaul, a vittorie prestigiose.
Uomo dal carattere taciturno, una volta esaurito il proprio ruolo come direttore sportivo Nicolas Frantz si ritirò a vita privata nel villaggio di Mamer che gli diede i natali, dove morì nel 1985 a 86 anni.