Родился 30 мая 1661 в Москве. С детства был слабым и болезненным, но уже в 12 лет был официально объявлен наследником престола. Первым учителем его был подъячий Посольского приказа Памфил Белянинов, затем его сменил Симеон Полоцкий, ставший его духовным наставнико. Обучил его польскому, древнегреческому языкам и латыни, привил уважение и интерес к западному быту. Царь разбирался в живописи и церковной музыке, имел «великое искусство в поезии и изрядные вирши складывал», обученный основам стихосложения, сделал стихотворный перевод псалмов для «Псалтири» Полоцкого. Внешний облик царя позволяет представить парсуна (портрет), сделанная Богданом Салтановым в 1685.
После смерти отца, 15-летним, был венчан на царство в Успенском соборе Кремля 18 июня 1676 года. Поначалу страной пыталась руководить мачеха, Н.К.Нарышкина, которую удалось устранить от дел родственникам Федора, направив ее вместе с сыном Петром (будущим Петром I) в «добровольную ссылку» в подмосковное село Преображенское. Друзья и родственники молодого царя, боярин И.Ф.Милославский, кн. Ю.А.Долгоруков и Я.Н.Одоевской, которых в 1679 сменили постельничий И.М.Языков, стольничий М.Т.Лихачев и кн. В.В.Голицын, «люди образованные, способные и добросовестные», близкие царю и имевшие на него влияние, энергично принялись создавать дееспособное правительство. Их влиянием можно объяснить перенесение при Федоре центра тяжести в принятии государственных решений в Боярскую Думу, число членов которой при нем возросло с 66 до 99. Царь был также склонен лично принимать участие в управлении, но без деспотизма и жестокости, какие были свойственны его преемнику и брату Петру I.
В 16781679 правительством Федора была проведена перепись населения, отменен указ Алексея Михайловича о невыдаче беглых, записавшихся в ратную службу, введено подворное обложение (это сразу же пополнило казну, но усилило крепостной гнет). В 16791680 была сделана попытка смягчить на западный манер уголовные наказания, в частности, было отменено отрубание рук за воровство. Благодаря строительству оборонительных сооружений на юге России (Дикое поле) появилась возможность широкого наделения дворян, стремившихся к увеличению земельных владений, поместьями и вотчинами. В 1681 было введено воеводское и местное приказное управление важная подготовительная мера для губернской реформы Петра I.
Главной из внутриполитических реформ стало уничтожение на «чрезвычайном сидении» Земского собора 12 января1682 местничества правил, по которым каждый получал чины в согласии с местом, какое занимали в государственном аппарате предки назначаемого. Одновременно были сожжены разрядные книги с перечнями должностей как «главные виновники» местнических споров и претензий. Взамен разрядных было приказано завести Родословную книгу. В нее вписывали всех родовитых и знатных людей, но уже без указания их места в Думе.
При Федоре готовился проект о введении в России чинов прообраз петровской Табели о рангах, который должен был разделить гражданскую и военную власти. Для централизации управления некоторые приказы были объединены и переданы под управление И.Ф.Милославского. Недовольство злоупотреблениями чиновников, притеснения стрельцов привело к восстанию городских низов, поддержанных стрельцами, в 1682.
Получивший основы светского образования, Федор был противником вмешательства церкви и патриарха Иоакима в светские дела, установил увеличенные нормы сборов с церковных имений, начав тем самым процесс, завершившийся при Петре I ликвидацией патриаршества. В годы правления Федора велось строительство не только дворцовых церквей, но и светских зданий (приказов, палат), были разбиты новые сады, создана первая общая система канализации Кремля.
Понимавший необходимость распространения знаний, Федор приглашал иноземцев для преподавания в Москве, был одним из инициаторов создания Славяно-греко-латинской академии, хотя сама академия была учреждена позже, в 1687.
Во внешней политике пытался возвратить России выход к Балтийскому морю, утраченный в годы Ливонской войны. Гораздо больше внимания, чем Алексей Михайлович, уделял полкам «нового строя», укомплектованным и обучаемым на западный манер. Однако решению «балтийской задачи» мешали набеги крымских и татар и турок с юга. Поэтому крупной внешнеполитической акцией Федора стала успешная русско-турецкая война 1676-1681, закончившаяся Бахчисарайским мирным договором, закрепившим объединение Левобережной Украины с Россией. Киев Россия получила еще ранее по договору с Польшей 1678 в обмен на Невель, Себеж и Велиж. Во время войны 16761681 на юге страны была создана Изюмская засечная черта(400 верст), позднее соединенная с Белгородской.
Частная жизнь царя была несчастливой. Первый брак с Агафьей Грушецкой (1680) закончился через год, царица умерла в родах вместе с новорожденным сыном Федора. По слухам, царица оказывала сильное влияние на мужа, по ее «внушению» в Москве мужчины начали стричь волосы, брить бороды, носить польские сабли и кунтуши. Новый брак царя устроил его дружка И.М.Языков. 14 февраля 1682 Федора женили на Марфе Апраксиной, но через два месяца после свадьбы, 27 апреля царь скоропостижно скончался в Москве на 21-м году жизни, не оставив наследника. Царями были провозглашены два его брата Иван и Петр Алексеевичи. Федора похоронили в Архангельском соборе Московского Кремля.
Важнейшим источником по истории правления Федора Алексеевича является Созерцание лет 7190, 7191 и 7192, составленное известнейшим современником царя писателем Сильвестром Медведевым.