С началом Первой Мировой войны в октябре 1914 года записался добровольцем в армию. 7 августа 1915 года его произвели в офицеры. В 1917 году после ряда курсов был переведен в подразделение, которое занималось разведывательными полетами. В конце 1917 года Мурнау и его пилот, заблудившись в тумане, приземлились на швейцарской территории. До окончания войны он оставался в плену сначала в Андерматте, а затем в Люцерне. Там поставил несколько спектаклей с участием военнопленных. В 1919 году вернулся в Берлин.
Родился в семье суконного фабриканта Генриха Плумпе и его второй жены Оттилии, бывшей учительницы.
По пути на премьеру фильма «Табу» в Нью-Йорке 11 марта 1931 года Мурнау попал в автомобильную катастрофу в Санта-Барбаре и умер от ее последствий в клинике Санта-Моники. Тело Мурнау было переправлено в Германию.
Настоящее имя — Фридрих Вильгельм Плумпе (Plumpe). Его псевдоним происходит от названия баварского городка Мурнау, который он однажды посещает вместе со своим другом.
Голова режиссера Фридриха Вильгельма Мурнау была украдена из семейного захоронения на кладбище под Берлином.