Фёдор родился в Москве в 1587 или 1589 году. После вступления отца на престол (1598) Фёдор стал царевичем и наследником. Борис Годунов выписал для сына иностранных учителей и рано приучал юношу к пониманию правительственных дел. Он регулярно заседал в Боярской думе, принимал послов, участвовал в судебной и благотворительной деятельности отца (в частности, во время голода в 1601—1603 годов). Н. М. Карамзин называет его «первым плодом Европейского воспитания в России».
   Царствование Фёдора продолжалось 49 дней с апреля по июнь 1605 года.
   14 апреля 1605 года, на другой день после смерти Бориса, Москва присягнула Федору без ропота и волнений. Федор отстранил от командования войсками, воевавшими против наступавшего с Украины самозванца, князя Мстиславского и отправил вместо него Петра Федоровича Басманова. На Басманова возлагались надежды, которых тот не оправдал. 7 мая вместе со всеми войсками новый воевода присягнул Лжедмитрию, а 1 июня в Красное Село приехали послы от претендента - дворяне Плещеев и Пушкин. Народ, узнав об этом, подхватил гонцов и повез на Красную площадь. Посланцев поставили на Лобном месте, и они при огромном стечении народа прочитали грамоту царевича. Дмитрий извещал в ней о своем спасении, прощал московским людям, что они по незнанию присягали Годуновым, припоминал всякие утеснения и насилия, причиненные народу Борисом, обещал всем льготы и милости и приглашал прислать к нему посольство с челобитьем.
    В толпе поднялось сильное смятение. Одни кричали: "Буди здрав, царь Дмитрий Иванович!" Другие говорили: "Да точно ли это Дмитрий Иванович? Может быть, это не настоящий". Наконец раздались голоса: "Шуйского! Шуйского!" Шуйского возвели на Лобное место. Сделалась тишина, и Шуйский громко объявил: "Борис послал убить Дмитрия-царевича, но царевича спасли; вместо него погребен попов сын". Тогда толпа неистово заревела: "Долой Годуновых!" - и без удержу бросилась в Кремль. Защищать Федора было некому. Стрельцы, стоявшие на карауле, отступили без боя. Царь побежал в Грановитую палату и Сел на престол. Царица Мария Григорьевна и царевна Ксения встали подле него с образами. Народ ворвался в палату, стащил Федора с престола, но не причинил ему никакого вреда. На водовозных клячах царицу и ее детей отвезли в прежний Борисов дом и приставили к ним стражу. Новым царём был провозглашён Лжедмитрий под именем Дмитрия Ивановича. Через 10 дней, накануне вступления Лжедмитрия в Москву, низложенный царь и его мать были задушены в своём кремлёвском доме. (Крепкий и сильный юноша, Фёдор оказал сопротивление убийцам, которые вчетвером насилу справились с ним). Похоронили их сначала во второстепенном монастыре, а в царствование Василия Шуйского торжественно перезахоронили в Троице-Сергиевом монастыре.

   Царевич Фёдор вошёл в историю русской картографии: им или под его руководством была составлена одна из первых собственно русских карт России (карты, подготовленные иностранными специалистами, появились еще в XVI веке). Она была издана в Амстердаме по рукописям в 1613 году видным картографом того времени Гесселем Герритсом. Пушкин в трагедии «Борис Годунов» изобразил Фёдора за созданием этой карты:

  Царь. 
А ты, мой сын, чем занят? Это что? 
  Феодор. 
Чертеж земли московской; наше царство 
Из края в край. Вот видишь: тут Москва, 
Тут Новгород, тут Астрахань. Вот море, 
Вот пермские дремучие леса, 
А вот Сибирь. 
  Царь. 
А это что такое 
Узором здесь виется? 
  Феодор. 
Это Волга. 
  Царь. 
Как хорошо! вот сладкий плод ученья! 
Как с облаков ты можешь обозреть 
Все царство вдруг: границы, грады, реки. 
Учись, мой сын: наука сокращает 
Нам опыты быстротекущей жизни - 
Когда-нибудь, и скоро может быть, 
Все области, которые ты ныне 
Изобразил так хитро на бумаге, 
Все под руку достанутся твою…