Федор родился 22 февраля 1850 года в небольшом городке Гатчина под Петербургом в семье мелкого чиновника Александра Васильева. Точнее, он был внебрачным сыном, так как в то время его родители еще не обвенчались. Вскоре семья перебралась в столицу, но жизнь её от этого лучше не стала. Отец часто пил, а деньги, которые не успевал пропить, проигрывал в карты. Чтобы как-то поддержать семью двенадцатилетний Федор пошел работать на почтамт, а затем устроился помощником писца в Адмиралтейство. Он страстно любил рисовать, но времени для любимого занятия катастрофически не хватало.
В 1865 году окончательно спившийся отец умер, и в 15 лет Федор стал главным кормильцем семьи: матери, старшей сестры и двух младших братьев. Чтобы быть ближе к любимому делу, Васильев устроился учеником реставратора в Академию художеств, а по вечерам стал заниматься в Рисовальной школе Общества поощрения художеств. Одаренный ученик быстро обратил на себя внимание художников. Юношу взял под свою опеку уже известный пейзажист Иван Шишкин, незадолго до этого вернувшийся из заграничной пенсионной поездки.
Летом 1867 года Шишкин пригласил Васильева в поездку на Валаам писать этюды. Работа рядом с опытным мастером много дала Федору, но, как ни странно, он тоже оказал какое-то влияние на своего старшего друга, вскоре женившегося на его сестре. Искусствоведы считают, что именно под воздействием Васильева живопись Шишкина стала немного лиричнее. От того периода сохранилась небольшая картина Шишкина, на которой кладбищенский пейзаж на Валааме «оживляет» сидящий на траве Васильев.
Федору удивительно везло на хороших людей. Его покровителем стал известный меценат граф Павел Сергеевич Строганов, купивший одну из вааламских картин начинающего художника. Он стал приглашать Федора в свои имения в Харьковской и Тамбовской губерниях, где освобожденный от забот о хлебе насущном живописец мог самозабвенно отдаваться творчеству. Немаловажно, что у Строганова он мог общаться с элитой российского общества, впитывая светский лоск и манеры поведения. Друзья художники даже иногда в шутку называли его «графом», хотя чаще величали «гениальным мальчиком». А строгановские гости стали покупать у молодого художника картины, что было очень кстати, ведь на иждивении Федора оставались мать и братья.
В этот период тон в русской живописи задавала знаменитая «Артель художников» Ивана Николаевича Крамского, который был преподавателем Васильева. Естественно, что вскоре молодой художник тоже влился в артель. Любопытно, что среди живописцев с академическим образованием он не выглядел дилетантом. Позднее Илья Репин вспоминал: «К этому счастливцу всех тянуло, и сам он зорко и быстро схватывал все явления кругом». С удивлением наблюдали опытные художники за стремительным профессиональным ростом молодого собрата.
Уже в 1868 году Васильев представил на выставку работы «Возвращение стада», «Деревенская улица», «После грозы», которые продемонстрировали, что в России появился новый пейзажист-лирик, тонко чувствующий природу и умеющий передавать в своих работах прелесть родного русского пейзажа.
Лето следующего года Васильев провел с Репиным на Волге. Великая русская река и необъятные просторы центральной России покорили художника. Он с упоением пишет, стараясь передать в эскизах и рисунках не просто красоту природы, а её изменчивость и настроение. Итогом этой поездки стало несколько картин, но наибольший восторг товарищей по профессии и зрителей вызывала «Вид на Волге. Барки». Картина буквально обволакивает зрителей полуденным покоем, одновременно передавая раздолье мощной реки, покорившейся человеку, вынужденному тяжелым бурлацким трудом зарабатывать свой хлеб. Все отмечали удивительное мастерство, с которым художник изобразил небо, занимающее более половины полотна. «Он открыл нам небо», — написал впоследствии о творчестве Васильева известный художник Николай Ге.
В 1871 году Васильев пишет удивительную картину «Оттепель». Современники отмечали, что можно пересказать словами все, что изображено на полотне, но передать словами его своеобразное очарование — невозможно. Картину купил для своей галереи
К этому времени Васильев уже был серьезно болен, врачи нашли у него прогрессирующий туберкулез. Требовалось срочное лечение и смена климата. Общество поощрения художеств выделило ему деньги для поездки в Крым, но сначала Васильев поехал в харьковское имение графа Строганова. Возможно, именно в тот приезд на Украину он увидел где-то на тихой речке старую мельницу. Позднее уже в Крыму он напишет одну из самых поэтичных своих картин «Заброшенная мельница». В ней есть что-то сказочное. Кажется, что по ночам к этому заросшему камышом и осокой берегу приплывают русалки, а в зарослях ивняка живет леший.
На Украине Васильев оставался недолго, по настоянию врачей он переехал в Крым. Буйная южная природа не произвела на него впечатления. Он тоскует по бескрайним русским полям и трепещущим на ветру березам. «Тоскую по России и не верю Крыму», — жалуется он в письме Крамскому. В Крыму Васильева навестил Айвазовский, бывший в тот период на вершине славы. Мэтр с интересом рассматривал картины и эскизы Федора, делился опытом изображения моря и южной природы. Но южная яркая природа не вдохновляет художника, он пишет картины по старым эскизам и зарисовкам.
Здесь родилась одна из лучших его картин «Мокрый луг». За неё Общество поощрения художеств присудило ему премию. Произошло и еще одно важное событие, Академия художеств заочно присудила Васильеву, который не сдавал экзамены за академический курс, звание «классного художника первой степени». Это звание позволяло баллотироваться на официальные должности, а при поступлении на государственную службу получить чин 12 класса.
Постепенно художник привыкает к местной природе и начинает её писать, но жизненный путь Васильева уже заканчивается. Его последней большой работой стала картина «В крымских горах».
6 октября 1873 года Федор Александрович Васильев умер. Друзья художника устроили его посмертную выставку. Удивительно, но все выставленные на ней работы, включая эскизы и зарисовки, были раскуплены еще до её официального открытия. Только Павел Третьяков приобрел для своей галереи сразу 18 картин.
Он прожил короткую, но прекрасную творческую жизнь. «Ему суждено было внести в русский пейзаж то, что последнему недоставало и недостает: поэзию при натуральности исполнения», — написал о нем Крамской. Лучше, пожалуй, не скажешь.