Federico nacque a Gubbio, graziosa cittadina umbra in provincia di Perugia, il 7 giugno 1422 da Donna Laura degli Ubaldini e dal conte Guidantonio, figlio del Conte Antonio da Montefeltro, dal quale aveva ereditato la Signoria di Urbino, con tutto il territorio del Montefeltro.
Federico era figlio illegittimo, ma, in assenza di eredi, Guidantonio ottenne la bolla di legittimazione che permetteva al figlio di vivere a corte e di succedergli con tutti gli onori. Dopo la morte di Rengarda, la prima moglie, Guidantonio sposò in seconde nozze Caterina Colonna, nipote del papa Martino V, la quale quando seppe di aspettare un figlio, pretese che Federico venisse allontanato da Urbino. Guidantonio amava molto Federico, ma si rese conto dell'impossibilità di tenere con sé il figlio; lo affidò, quindi, alle cure di Giovanna Alidosi, vedova di Bartolomeo Brancaleoni, Signora di Sant'Angelo in Vado, come promesso sposo di Gentile, sua figlia, unica erede della Signoria di Bocca Trabaria, dove rimase per 8 anni.
Nel 1433 Guidantonio consegna Federico come ostaggio ad Andrea Dandolo, procuratore veneto garante di pace, che lo trasferisce a Venezia, in base agli accordi della pace di Ferrara, firmata dal Pontefice Eugenio lV e dal duca di Milano, Filippo Maria Visconti, di cui era stato alleato il Montefeltro.
Questa condizione gli permise di vivere tra Venezia e Mantova, presso la famiglia di Gianfranco Gonzaga. Federico farà tesoro di quanto appreso e non mancherà mai di manifestare oltre all'amore per l'arte, per gli storici e i filosofi del passato, un senso di maturità e di equilibrio, tanto da preferire le vie diplomatiche alla Guerra. Durante il soggiorno a Mantova l'Imperatore Sigismondo conferì al Montefeltro, l'investitura di cavaliere.
Nel 1436, Federico tornò nella sua piccola Signoria di Massa Trabaria e nel 1437, all'età di 15 anni, celebrò il Matrimonio con Gentile Brancaleoni, di 6 anni più grande di lui.
Nel 1427 Caterina Colonna mise al mondo il suo fratellastro, Oddantonio, erede legittimo della Signoria di Urbino.
Dopo la morte di Bernardino Ubaldini, capitano della compagnia di Ventura della Signoria feltresca, Guidantonio affidò l'incarico di capitano proprio a Federico, che nel 1438 partì al soldo del Visconti di Milano con molto entusiasmo. Da quel momento in poi, Federico dovette unire, oltre all'attività di capitano di Ventura, anche quella della difesa di Urbino contro l'eterno nemico, Pandolfo Malatesta di Rimini.
Nel 1443 alla morte di Guidantonio, la Signoria di Urbino venne ereditata da Oddantonio, unico figlio legittimo, il quale per inesperienza e incapacità, seminò un forte malcontento tra la gente.
Federico non fece nulla per aiutare il Fratellastro in difficoltà; ciò contribuì alla crisi che spinse un gruppo di cittadini, ad un anno e mezzo dalla nomina, alla pianificazione di una congiura per la sua eliminazione, congiura che venne agevolata e favorita anche da connivenze presenti a Palazzo.
In seguito all'uccisione di Oddantonio, per Federico fu facile ottenere la fiducia della gente, che gli affidò il Ducato nel 1944.
Egli lo consolidò con energia e prudenza, con fermezza e disciplina, lo ampliò e ne divenne il vero Signore.
Dopo la metà del 1400 iniziò la più importante opera della sua vita: il Palazzo Ducale di Urbino.

Per vent'anni combatté contro Sigismondo Pandolfo dei Malatesti, signore di Rimini e Fano; lo scontro fu violento, senza esclusione di colpi, a tratti feroce. Quando nel 1447 gli abitanti di Fossombrone si ribellarono ai Montefeltro ed aprirono le porte a Sigismondo, Federico rapidamente riconquistò la città, e per punirla lasciò che le soldataglie la saccheggiassero. Nel 1463, appoggiandosi a papa Pio II, fermamente deciso ad eliminare la signoria malatestiana da Marche e Romagna, Federico riuscì a sconfiggere definitivamente il suo rivale, privandolo di quasi tutti i suoi possedimenti. Da quell'anno fino alla morte Federico conobbe la stagione del suo massimo splendore; in quel ventennio ricoprì la carica di capitano generale dell'esercito della lega italica e a tratti fu contemporaneamente comandante degli eserciti del re di Napoli, del duca di Milano e del papa.
Amante dell'arte, Federico si circondò nella sua corte di artisti come Piero della Francesca, Leon Battista Alberti, Luciano Laurana, Francesco di Giorgio Martini, Paolo Uccello, Bramante e Raffaello, artisti che avrebbero fatto la storia dell'arte e dell'architettura italiana.
Conoscitore della lingua latina e delle lettere sacre e profane, raccolse intorno a se una corte di umanisti e poeti, fondando ad Urbino la più grande biblioteca dell'occidente.
Morta la prima moglie, che lo lasciò senza prole legittima, si risposò, nel 1460 con Battista Sforza, figlia di Alessandro Sforza, Signore di Pesaro.
Nel 1474 il papa Sisto IV lo nominò Duca di Urbino, stabilendo il matrimonio di suo nipote Giovanni della Rovere con la figlia di Federico, Giovanna.
Il 10 settembre del 1482 a Ferrara, Federico da Montefeltro chiudeva la sua straordinaria esistenza.
Dopo la sua morte, il ducato di Urbino conobbe un rapido declino, ma si era ormai alla fine di un'epoca. Nel giro di un trentennio, infatti, tutta l'Italia sarà attaccata dagli eserciti di Francia e Spagna.