Frederik 3 overtok monarkiet som et konkursbo, men det hadde større kraft enn tidligere til å kreve ytelser av befolkningen. 1657 kastet han sine riker ut i en krig med Sverige som endte med store landavståelser, men innenrikspolitisk klarte han å styrke sin stilling allerede i 1650-årene, og 1660 tvang han til seg enevoldsmakten. I 1660-årene sørget han for en videre militarisering og krevde inn større skatter enn noensinne i fredstid.
Frederik var Christian 4s nesteldste sønn, og det hadde blitt en konstitusjonell sedvane at yngre kongesønner ikke skulle få noen del av Danmark og Norge som sitt fyrstedømme, mens det derimot fantes muligheter for å overta fyrstedømmer i det nordlige Tyskland. Christian 4 fikk sønnen valgt til fyrste i flere sekulariserte bispedømmer; han ble koadjutor i Bremen 1621, biskop i Verden 1623 og koadjutor i Halberstadt 1624. Frederik ble grundigere utdannet enn det som var vanlig for oldenborgske kongesønner, bl.a. på Sorø akademi 1624–26 og på en studiereise til Frankrike 1629–30.
Da Christian 4 led nederlag i keiserkrigen 1625–29, måtte han i fredsslutningen gi opp Frederiks tre nordtyske stift. Men 1634 skaffet han igjen sønnen erkebispedømmet Bremen og 1635 bispedømmet Verden. Frederik viste seg som en selvrådig fyrste overfor stendene der, og da han 1643 giftet seg med Sophie Amalie, trådte han i slektsforbindelse med fyrstehus som strebet etter eneveldig styre. Frederik var en innesluttet, grublende mann, mens Sophie Amalie var energisk pågående med en sterk ærgjerrighet; hun øvde stor innflytelse over ham. Frederik hadde én såkalt uekte sønn, Ulrik Frederik Gyldenløve, fra et forhold med Margrethe Pape; etter 1643 kjennes ingen sidesprang fra ekteskapet.
Krigen 1643–45 førte til at Frederik måtte forlate sine tyske fyrstedømmer, og faren utnevnte ham til generalissimus og president for krigsrådet i Glückstadt, men han klarte ikke å motvirke den svenske invasjonen, og under krigen kom han dessuten i et motsetningsforhold til den adelige sjefen for den danske hæren, riksmarsken Anders Bille. Ved freden i Brömsebro 1645 ble det bestemt at det skulle føres videre forhandlinger med Sverige om stiftene Bremen og Verden, men da Frederiks eldre bror, tronfølgeren Christian (“den utvalgte prins”) døde barnløs 1647, gav Frederik avkall på stiftene for at ikke det danske riksrådet skulle bruke faren for en ny krig med Sverige mot ham ved det kommende valget av en tronfølger etter Christian 4.
Da Christian 4 døde i februar 1648, var motviljen stor mot Frederik i den danske adelen. Han ble oppfattet som en egenrådig mann, omgitt av fremmede, tyske rådgivere, og han provoserte med å hevde arverett til Norge. Men som den eneste legitime kongesønnen var han ikke til å komme utenom. Han måtte imidlertid finne seg i at det danske riksrådet også uttrykkelig valgte ham til konge over Norge, og at håndfestningen av 8. mai s.å. inneholdt flere begrensninger på kongemakten enn noensinne.
Frederik 3 stod i et spent forhold til svogrene Corfitz Ulfeldt og Hannibal Sehested, som var gift med hans halvsøstre. Ulfeldt hadde som rikshovmester (fra 1643) tiltvunget seg stor makt i Christian 4s senere år, og han var ekstremt korrupt. 1649 drog han som ambassadør til Nederlandene, og da tok Frederik 3 fra ham deler av finansledelsen, spesielt kontrollen med de norske tollinntektene. I månedene som fulgte ble forholdet mellom kongeparet og ekteparet Ulfeldt forgiftet av gjensidig mistanke om at de strebet hverandre etter livet, mens en revisjon av Ulfeldts regnskaper kom i gang – den viste at Ulfeldt i samarbeid med store statsleverandører hadde svindlet staten og skattebetalerne for enorme verdier. Da kongen 13. juli 1651 underskrev et anklageskriv mot Ulfeldt for hans kriminelle embetsførsel, forlot Ulfeldt og hans kone Leonora Christina dagen etter København og rømte til utlandet, der de ytet store lån til svenske rustninger mot Danmark-Norge. Ulfeldt gikk senere en tid i svensk tjeneste, men kom tilbake til Danmark 1660–62 før han på ny drog i eksil. Leonora Christina ble arrestert 1663 som medskyldig i mannens høyforræderi og tilbrakte 22 år som statsfange i Blåtårn i København.
Den andre svogeren, Hannibal Sehested, hadde skaffet seg en sterk stilling som stattholder i Norge fra 1642. Sehested var upopulær i den danske adelen, fordi utgiftene til den norske hæren reduserte overføringene av statsinntekter til Danmark. Sehested prøvde å vinne Frederik 3 for seg med en storslått norsk kongehylling på Hovedtangen ved Christiania 24. august 1648. Norges rikes kansler, Jens Bjelke, sa i en tale at Frederik var “Norges rikes rette arveherre og konge”, et synspunkt som stod klart i motstrid til det som fremkom i talen til kongens kansler, Christen Thomesen Sehested. På møtet ble det levert en rekke hyllingsbrev og supplikker der Frederik ble kalt arving til Norge, og i årene 1648–56 ble det forfattet tre større skrifter i miljøet nær kongen, der det ble argumentert for at han hadde slik arverett.
Denne påstanden tok Frederik 3 opp 1650 da han fikk sønnen Christian valgt til tronfølger. Kongen hevdet at han bare skulle velges til dansk tronfølger, fordi han allerede hadde arverett til Norge. To av de tre stendene – den geistlige og den borgerlige – fulgte kongens ønske, mens riksrådet og adelen valgte ham både til dansk og norsk tronfølger. Kongen lot prinsen ta med i sin tittel “arving til Norge”, og til den norske hyllingen i Christiania 1656 ble Christian omtalt som norsk tronarving i mange stenderfullmakter. Under hyllingen ble igjen Christen Thomesen Sehested motsagt, da han hevdet det danske adelsstandpunktet at prinsen skulle velges.
Frederik 3 utnyttet den økende motstanden i den danske adelen mot Hannibal Sehested til å kvitte seg også med ham. Sehesteds motstandere i den danske adelen anklaget ham for å agere konge i Norge, fremme norsk separatisme og misbruke embetet til personlig vinning. Sehested forsvarte seg utførlig, men riksrådet nedsatte en undersøkelseskommisjon som beskyldte stattholderen for misligheter. I juni 1651 presset kongen ham til å skrive et brev der han tilstod økonomisk utroskap, bad om tilgivelse, tilbød å oppgi sine embeter i Norge og gi fra seg til kronen deler av det gods han hadde skaffet seg her. Da tvang Frederik ham til å underskrive en avståelse til kongen av alle sine faste eiendommer i Norge og søke avskjed både som stattholder og riksråd. Sehesteds nærmeste medarbeider i finansvesenet i Norge, Nils Lange til Fritsø, ble dessuten fratatt sitt len og mye av sitt gods.
Svogrenes fall styrket kongen i forholdet til adelen og riksrådet. 1655 ble det opprettet et admiralitetskollegium, som skulle ta seg av ledelsen av marinen og av handel og skipsfart. Frederik holdt sin hånd over Ulfeldts klienter i den ikke-adelige embets- og forretningsstanden, og to av dem, Henrik Müller og Poul Klingenberg, fikk sete i kollegiet, til tross for at de hadde skodd seg grovt på statsleveranser. Med sin revansjistiske utenrikspolitikk gjorde kongen seg mer avhengig av disse leverandørene, som også var i stand til å skaffe kreditter til krigsrustninger.
Frederik 3 tok sikte på krig mot Sverige for å gjenerobre tapte provinser. 1655 gikk svenskekongen Karl 10 Gustav til krig mot Polen, og han hadde planer om å knekke Danmark i en senere krig. Da svenskene fikk problemer i Polen, undertegnet Frederik en krigserklæring 1. juni 1657. Svenskene rykket i ilmarsj vestover, rente danskene over ende og okkuperte Jylland. I den kalde vinteren gikk de på isen over beltene, okkuperte Fyn og mesteparten av Sjælland og tvang Frederik til å undertegne en fredstraktat i Roskilde 26. februar 1658. Han gikk raskt med på å avstå Skåne, Halland og Blekinge, men ytet motstand mot å avstå deler av Norge, stikk i strid med tidligere holdninger i statsledelsen; dette hang sammen med Frederiks konflikt med den danske adelen, som var svært sterk i Skåne. Men han ble tvunget til også å avstå Båhuslen, Trondheims len, Nordmøre og Romsdal fra Norge.
Svenskekongen ville sette inn nådestøtet og gjenopptok krigen i august 1658. Svenskene behersket Danmark, med unntak av København, som de holdt beleiret. Frederik valgte å bli i hovedstaden, og forsvarerne klarte å motstå flere svenske stormangrep, mye takket være hjelp fra allierte stater og fyrster. Under krigen var Norge Frederik 3s eneste disponible ressurs av betydning utenfor København; for øvrig måtte han leve på kreditt. Store forsendelser av penger og varer gikk fra Norge til Danmark. Skattenivået i Norge var rekordhøyt, men til tross for uttappingen til København klarte embetsverket i Norge å sikre den norske hæren så pass midler at den gjenerobret Midt-Norge og avviste gjentatte svenske angrep mot Halden i sør. Ved freden i København 27. mai 1660 ble Trondheims len, Nordmøre og Romsdal gitt tilbake til Norge, mens Danmark bare fikk Bornholm tilbake – som en arvelig besittelse for Frederik 3 og hans etterkommere.
Etter krigen var adelens prestisje på et lavmål, riksrådet hadde få medlemmer og manglet ledere. Kongen hadde 1658 opprettet et krigskollegium, dominert av tyske offiserer; det tok seg av den administrative ledelsen av hæren, der den danske adelen nå stod svakt. Storborgerne i København hadde under krigen vært statsleverandører og formidlere av kreditt, og 1659 hadde de sikret seg privilegier på linje med adelens. Da freden kom, var statsgjelden enorm i forhold til de ordinære statsinntektene. Kongen kalte derfor inn et dansk stendermøte, som skulle vedta frivillige skattebevilgninger. På møtet høsten 1660 kom det til en skarp konfrontasjon mellom adelen og de andre stendene (borgerne og de geistlige). Adelen pukket først på sine skattefritak, men kom raskt på glid, mens dens motstandere brakte inn spørsmålet om arvekongedømmet. Da riksrådet og adelen motsatte seg det, tvang kongen dem 13. oktober til å gi seg ved å true med hæren. Håndfestningen ble kassert, forsøket på å la stenderrepresentanter diskutere en ny konstitusjon ble sabotert av kongens venner i komiteen, og 18. oktober ble Frederik 3 hyllet som arvekonge i København. 10. januar 1661 utstedte han en enevoldsarveregjeringsakt, som i tillegg til arveretten sikret kongen enevoldsmakt. Den var i formen en erklæring fra undersåttene, og den ble sendt rundt i Danmark, der 183 adelsmenn, 987 geistlige og 381 borgere skrev under.
5. august 1661 mottok prins Christian på farens og egne vegne en norsk arvehylling fra 17 adelsmenn, 10 lagmenn, 86 geistlige, 36 borgere og 408 bønder, og to dager etter måtte de undertegne en stadfesting av den danske enevoldsarveregjeringsakten. I årene som fulgte, lot Frederik 3 sin “archivarius og bibliothecarius” Peter Schumacher (den senere førsteminister og lensgreve Griffenfeld) utarbeide et nytt dokument som skulle danne rettsgrunnlag for eneveldet, den såkalte Kongeloven; den er datert 14. november 1665 og ble senere opplest i forbindelse med alle kongesalvinger under eneveldet. Loven ble først trykt 1709. De eneste begrensninger Kongeloven påla den eneveldige fyrsten, var at han måtte overholde den augsburgske konfesjon, ikke dele riket og ikke gi fra seg makten. Innføringen av eneveldet møtte ingen åpen motstand, idet regimet gjorde tydelig at motstand mot kongemakten ville bli straffet på det strengeste.
Frederik 3 brukte sin enevoldsmakt til å reorganisere embetsverket ved å bryte adelens monopol på nøkkelstillinger sentralt og lokalt. Det danske riksråd falt bort høsten 1660, og 1662 erstattet kongen lensherrene med amtmenn, som hadde begrenset myndighet. Sentralt opprettet kongen nye kollegier ved siden av de to militære fra 1650-årene, og han fylte dem med kongstjenere, både adelige og storborgerlige. Sentralt og lokalt hadde en rekke parallelle etater og enkeltembeter kongen som sin øverste sjef; han utnevnte alle embetsmenn, mens han før 1660 hadde utnevnt bare de viktigste embetsmennene sentralt og lokalt – de fleste tjenestemenn var blitt tilsatt av adelige embetsmenn som deres tjenere.
I noen grad innebar nyordningen en byråkratisering, men det dreide seg likevel om et personlig styre. Dermed kom kongefavoritter til å få betydelig spillerom som embetsutøvere. I de første årene etter 1660 lot kongen Hannibal Sehested spille en rolle i finansstyret, men Christoffer Gabel var mektigere, samtidig som Peter Schumacher klatret raskt oppover.
Frederik 3s holdning til Norge var tvetydig. Han interesserte seg for gammel norrøn historie og støttet islendingen Thormod Torfæus' innsamling av gamle håndskrifter. Det danske adelsveldets fall innebar at noen norskfødte menn fikk høye embeter, men dansker og tyskere som hevdet seg ved hoffet i København, gjorde mest karriere. 1664 utnevnte Frederik sin illegitime sønn Ulrik Frederik Gyldenløve til stattholder i Norge og lot ham få stor innflytelse i norske saker. Året etter gav kongen sitt eget navn og kjøpstadsrettigheter til trelasthavnen Halden ved Tista; byen fikk navnet Fredrikshald (som det beholdt til 1928), og det ble bygd en stor festning, som ble kalt Fredriksten. Men Frederik ville ikke imøtekomme de krav som var fremmet til hyllingsmøtet 1661 om norske institusjoner, bl.a. et eget norsk universitet. En ny overhoffrett i Christiania (1666) ble underordnet den felles høyesterett i København. Eneveldet førte til en nedbygging av særnorske styringsorganer og en nøyere innordning av etatene under hovedstadens myndighet – København ble mer dominerende enn tidligere.
Frederik 3 løste den akutte finanskrisen ved to hovedgrep. Det ene var å selge mesteparten av krongodset til sine kreditorer. Både i Danmark og Norge kom det dermed inn et nytt sjikt av godseiere, som tok høyere leieavgifter av leilendingene sine. Storborgerskapet i Norge sikret seg dessuten forsterkede kjøpstadsprivilegier 1662. Det andre grepet Frederik tok var å øke skattene til et høyere nivå enn i tidligere fredsperioder. Denne skatteopptrappingen ble sterkere i Danmark enn i Norge, der skattetaksering (matrikler) og skattekrav ble møtt med mer motstand og uro.
Målet med økningen av statsinntektene var å føre videre militariseringen. Kongen tok sikte på en ny revansjekrig mot Sverige og å uskadeliggjøre svenskenes klient, hertugen av Holstein-Gottorp. I Danmark satset man på en dyr profesjonell hær, i Norge på en billig milits, der bøndene måtte bære byrdene med militærtjenesten. Særlig ambisiøs var utbyggingen av festningene, som i Norge ble utført med tvangsarbeid av bondesoldater. 1664–66 ble det utarbeidet manntall over alle menn over 12 år, for å skaffe oversikt over rekrutteringsmulighetene for militærvesenet. En kraftig opprustning av marinen førte til stadige utskrivinger av sjøfolk fra Norge. I sum kom dermed militærtjenesten til å bli mer byrdefull her enn i de fleste andre europeiske land.
Frederik 3 følte seg i 1660-årene så sikker i det indre styret at han brukte mye av sin tid på interesser som var uvanlig intellektuelle sammenlignet med andre oldenborgere: Han overvar mange teologiske disputaser og interesserte seg for de gryende naturvitenskapene og for alkymi – han stilte bl.a. store forhåpninger til italieneren Francesco Borris eksperimenter med fremstilling av gull.
Frederik 3 døde av lungebetennelse i februar 1670 og ble begravd i Roskilde domkirke.