در ۱۸ تیرماه ۱۳۰۹ در خانواده‌ای متدین در شهر محلات، در حالی که پنج خواهر بزرگتر از خود داشت، به دنیا آمد، پدرش حاج غلامحسین مهدی زاده و مادرش صدیقه رضایی بود. پدرش از کسبه بازار بود (تولید و فروش فرش و بزازی) که کشاورزی هم می‌کرد. پدر و مادر فضل‌الله سواد خواندن و نوشتن نداشتند.
تحصیلات خود را در شش سالگی در «مکتبخانهٔ مدرسه میرزا» آغاز کرد و طی شش سال به پایان رساند. مدتی برای کمک نزد پدرش می‌ماند. دراین مدت با توجه به رفت و آمد سید محمد تقی خوانساری، سید صدرالدین صدر و سید روح‌الله خمینی به محلات، به طلبگی علاقه‌مند می‌شود ولی پدرش مخالفت می‌کند. دروس مقدمات و قدری از سیوطی و حاشیه را در همان محلات، نزد آیت الله شهیدی و بعضی از علمای محلات می‌خواند. سرانجام با وساطت محمدتقی خوانساری و عومیش، موفق می‌شود پدر را برای رفتن به قم راضی کند. در پانزده سالگی به قم رفت و در سال ۱۳۲۴ وارد حوزهٔ علمیه شد، حاشیه را نزد حاج محمد آقا تهرانی و سیوطی را نزد آشیخ عباس علی، دوباره می‌خواند و مغنی را نزد شیخ علی پناه اشتهاردی می‌آموزد. به گفتهٔ خودش در این ایام سرپرست واقعیش محمدتقی خوانساری بوده که به خانهٔ او رفت و آمد داشته.
مطوّل را نزد محمد صدوقی، معانی را نزد مرتضی مطهری و یک مقدار هم نزد علی مشکینی فرا گرفت. بخش عمده شرح لمعه را نزد صدوقی و مابقی را نزد حاج اسدالله اصفهانی نورآبادی خواند. با اتمام مقدمات و فراگیری سطح، رفته‌رفته او را به نام شیخ فضل‌الله می‌شناختند. از مهترین چهره‌هایی که در حوزه با آنها آشنا شد، می‌توان به سید حسین طباطبایی بروجردی (در درس خارج) و خمینی (در درس اخلاق)، علامه سید محمد حسین طباطبایی (در درس تفسیر)، حائری یزدی اشاره کرد.
فضل الله محلاتی در اول اسفند ۱۳۶۴، به همراه هشت تن از نمایندگان مجلس، قضات عالی رتبه قضایی در حالی که نمایندهٔ خمینی در سپاه پاسداران بود، با هواپیمای اف۲۷ فرندشیپ عازم جبهه‌های جنگ بود که هواپیمای حامل آنها مورد حمله دو فروند جنگنده عراقی قرار گرفت و در ۲۵ کیلومتری شمال اهواز سقوط کرد و همهٔ سرنشینان هواپیما که نزدیک به ۵۰ نفر بودند کشته شدند.
در سال ۱۳۳۱ (۲۱ سالگی) برای ازدواج از قم به محلات می‌آید و با اقلیم‌السادات شهیدی محلاتی (متولد ۱۳۲۰، یعنی ۱۱ سالگی) دختر سید جلال شهیدی محلاتی ازدواج می‌کند.
وی پنج فرزند دارد که بزرگترین آنها احمد، دومی محمود، سوم نجمه، چهارم ندا و فرزند پنجمی میثم است.