Après la Première Guerre mondiale, Fernand Ledoux s'installe en 1919 à Paris et suit les cours de Raphaël Duflos au Conservatoire national d'art dramatique. A sa sortie, en 1921, il débute une carrière théâtrale à la Comédie Française, dans des seconds rôles où il est souvent réduit à une seule réplique.
Fernand Ledoux, homme de théâtre avant tout, devient populaire grâce au cinéma. Sa carrière d'acteur est partagée entre des personnages de brave homme spolié et de méchant hypocrite. Jacques Feyder, qui l'avait remarqué au Conservatoire et lui avait offert un petit rôle dans son moyen métrage La Faute d'orthographe (1919), fait de nouveau appel à lui pour L'Atlantide (1921). A l'avènement du parlant, Ledoux dévoile une aisance qui lui est propre. Il fait de courtes apparitions dans des films d'Anatole Litvak (Mayerling, 1935) et d'Alexis Granowsky (Tarass Boulba, id.) avant de se distinguer dans La Bête humaine (1938) de Jean Renoir, adapté du roman d'Emile Zola, où il campe Roubaud, le chef de gare criminel trompé par sa femme. Cette performance lui permet d'accéder à de grands rôles. Dans Volpone (1940), Maurice Tourneur exploite son côté obscur. En 1942, pour éviter d'avoir à jouer devant l'occupant allemand, Ledoux quitte la Comédie Française et se consacre exclusivement au cinéma. Cette année-là lui sourit. Dans Le Lit à colonnes de Roland Tual, il tient le rôle d'un directeur de prison qui prétend être l'auteur d'un opéra composé par un détenu, puis il nous offre une de ses interprétations les plus remarquées dans Goupi Mains-Rouges de Jacques Becker, une chronique rurale tirée du roman de Pierre Véry. Toujours en 1942, Marcel Carné lui confie le rôle du prince des Les Visiteurs du soir, conduit à sa perte par la fille du Diable. Après s'être illustré dans des interprétations de crapule, Ledoux oriente sa carrière vers des personnages plus humains, dont le plus représentatif reste celui de Pattes blanches (1948) de Jean Grémillon. A partir de 1957, ses rôles deviennent moins étoffés et ses apparitions plus brèves. On le voit dans quelques productions américaines, dont Le Jour le plus long (1961) de Ken Annakin, Andrew Marton, Bernard Wicki, Elmo Williams et Gerd Oswald et Le Jour d'après (1964) de Robert Parrish. Il tourne également pour Orson Welles (Le Procès, 1962), Jacques Demy (Peau d'Ane, 1970), Claude Chabrol (Alice ou la dernière fugue, 1976). Après Mille milliards de dollars (1981) d'Henri Verneuil, il se retire des écrans.
Dans La Bergère et le ramoneur (1967), film d'animation réalisé par Paul Grimault, il prête sa voix au personnage du roi.
Fernand Ledoux s'est produit de nombreuses fois sur les planches, essentiellement à la Comédie Française. A la mort de Léon Bérard en 1931, il accède à des rôles plus importants. De 1958 à 1967, il donne des cours de dramaturgie au Conservatoire National d'Art Dramatique.
On le voit également à la télévision, notamment dans Les Célibataires (1962) de Jean Prat.
Courts métrages 1933 | Homme à la barbiche (L') | Louis Valray |
| 1935 | Souliers (Les) | Maurice Cloche |
| 1942 | Etoiles de demain | René Guy-Grand |
| 1942 | Loi du 21 juin 1907 (La) | Sacha Guitry |
| 1953 | Moïse | Bernard de Pré |
Longs métrages| 1918 | Faute d'orthographe (La) | Jacques Feyder |
| 1919 | Fils de Monsieur Ledoux (Le) | Henry Krauss |
| 1920 | Villa Destin | Marcel L'Herbier |
| 1922 | Molière, sa vie, son oeuvre | Jacques de Féraudy |
| 1934 | Train de 8 h 47 (Le) | Henry Wulschleger |
| 1934 | Une soirée à la Comédie Française | Léonce Perret |
| 1935 | Folies-Bergère | Marcel Achard |
| 1935 | Mayerling | Anatole Litvak |
| 1935 | Tarass Boulba | Alexis Granowsky |
| 1936 | Vagabond bien-aimé (Le) | Kurt Bernhardt |
| 1938 | Alerte en Méditerranée | Léo Joannon |
| 1938 | Altitude 3200 | Jean Benoit-Levy, Marie Epstein |
| 1938 | Bête humaine (La) | Jean Renoir |
| 1939 | Remorques | Jean Grémillon |
| 1940 | Untel père et fils | Julien Duvivier |
| 1940 | Volpone | Maurice Tourneur |
| 1941 | Assassinat du père Noël (L') | Christian-Jaque |
| 1941 | Premier bal | Christian-Jaque |
| 1941 | Premier rendez-vous | Henri Decoin |
| 1942 | Des jeunes filles dans la nuit | René Le Hénaff |
| 1942 | Goupi Mains-Rouges | Jacques Becker |
| 1942 | Grande Marnière (La) | Jean de Marguenat |
| 1942 | Lit à colonnes (Le) | Roland Tual |
| 1942 | Visiteurs du soir (Les) | Marcel Carné |
| 1943 | Béatrice devant le désir | Jean de Marguenat |
| 1943 | Homme de Londres (L') | Henri Decoin |
| 1944 | Sortilèges | Christian-Jaque |
| 1945 | Fille aux yeux gris (La) | Jean Faurez |
| 1945 | Fille du diable | Henri Decoin |
| 1946 | Rose de la mer (La) | Jacques de Baroncelli |
| 1947 | Danger de mort | Gilles Grangier |
| 1947 | Eternel conflit | Georges Lampin |
| 1948 | Bergère et le ramoneur (La) | Paul Grimault |
| 1948 | Mystère Barton (Le) | Charles Spaak |
| 1948 | Ombre (L') | André Berthomieu |
| 1948 | Pattes blanches | Jean Grémillon |
| 1949 | Histoires extraordinaires | Jean Faurez |
| 1949 | Monseigneur | Roger Richebé |
| 1949 | Symphonie d'un destin | Georges Ferry |
| 1951 | Loups chassent la nuit (Les) | Bernard Borderie |
| 1953 | Un acte d'amour | Anatole Litvak |
| 1954 | Fortune carrée | Bernard Borderie |
| 1954 | Papa, maman, la bonne et moi | Jean-Paul Le Chanois |
| 1955 | Hommes en blanc (Les) | Ralph Habib |
| 1955 | Papa, maman, ma femme et moi | Jean-Paul Le Chanois |
| 1956 | Aventures de Till l'espiègle (Les) | Gérard Philipe |
| 1956 | Celui qui doit mourir | Jules Dassin |
| 1956 | Loi des rues (La) | Ralph Habib |
| 1957 | Misérables (Les) | Jean-Paul Le Chanois |
| 1957 | Violents (Les) | Henri Calef |
| 1958 | Christine | Pierre Gaspard-Huit |
| 1959 | J'irai cracher sur vos tombes | Michel Gast |
| 1959 | Recours en grâce | Lazslo Benedek |
| 1960 | Big Gamble (The) Le Grand risque | Richard Fleischer |
| 1960 | Vérité (La) | Henri-Georges Clouzot |
| 1961 | Freud Freud, passions secrètes | John Huston |
| 1961 | Longest Day (The) Le Jour le plus long | Ken Annakin, Andrew Marton, Bernhard Wicki, [etc.] |
| 1962 | Glaive et la balance (Le) | André Cayatte |
| 1962 | Procès (Le) | Orson Welles |
| 1964 | Up from the Beach Le Jour d'après | Robert Parrish |
| 1965 | Communale (La) | Jean L'Hôte |
| 1968 | Sous le signe du taureau | Gilles Grangier |
| 1970 | Peau d'Ane | Jacques Demy |
| 1972 | Moi y en a vouloir des sous | Jean Yanne |
| 1973 | Bel ordure | Jean Marboeuf |
| 1973 | Chinois à Paris (Les) | Jean Yanne |
| 1973 | Granges brûlées (Les) | Jean Chapot |
| 1976 | A chacun son enfer | André Cayatte |
| 1976 | Alice ou La Dernière fugue | Claude Chabrol |
| 1981 | Mille milliards de dollars | Henri Verneuil |
| 1981 | Misérables (Les) | Robert Hossein |