Фёдор Васильев родился 10 (22) февраля 1850 года в городе Гатчине (ныне Ленинградская область) в семье мелкого почтового чиновника из Петербурга. В двенадцатилетнем возрасте был отдан на службу в главный почтамт, где получал 3 рубля жалованья в месяц. С раннего детства проявлял способности и интерес к рисованию. Бросил службу и поступил на учёбу в Рисовальную школу Общества поощрения художеств в Петербурге (1865—1868), в это время он совмещал занятия в школе по вечерам с работой у реставратора из Академии художеств П. К. Соколова. К окончанию учёбы Васильев вошёл в среду известных художников, особенно сблизился с Крамским и Шишкиным. Важным событием в этот период для юного художника стала его поездка на остров Валаам, где вместе с И. И. Шишкиным он проработал более пяти месяцев: с июня до поздней осени 1867 года. В 1869 году состоялась поездка Васильева в Тамбовскую губернию, в имение графа П. С. Строганова село Знаменское (летом), и на Украину, тоже в имение П. С. Строганова, село Хотень (осенью). Эти поездки сыграли благоприятную роль в развитии самобытного таланта художника. В 1870 году Васильев вместе с художниками И. Репиным и Е. Макаровым предпринял поездку по Волге. Плыли по великой реке от Твери до Саратова, а творческую квартиру устроили в окрестностях самарского Ставрополя, напротив Жигулей. Масса впечатлений и множество рисунков от этого волжского лета послужило основой для ряда картин, наиболее значимые из которых — «Вид на Волге. Барки» и «Волжские лагуны».

По возвращении из поездки Васильев создаёт «Оттепель». Картина сразу стала событием русской художественной жизни. Её авторское повторение, в более тёплых тонах чем первый вариант, было показано на всемирной выставке 1872 г. в Лондоне. Во время работы над картиной «Оттепель», зимой 1870 года, Васильев сильно простудился, у него обнаружился туберкулёз. По предложению графа П. С. Строганова художник провёл лето 1871 года в его имениях в Харьковской и Воронежской губерниях, но так и не вылечился. Общество поощрения художеств дало ему средства для поездки в Крым (ещё до отъезда Васильев был зачислен вольноопределяющимся учеником Академии художеств и получил звание художника первой степени с условием выдержать экзамен из научного курса). В Крыму Васильев провёл последние два года своей жизни. В этот период он создаёт множество рисунков (карандаш, акварель, сепия) и картин. Центральное произведение о крымской природе — большая картина «В Крымских горах» (1873 г., Третьяковская галерея). В Крыму Васильев написал и значительные картины посвящённые природе севера: «Утро», «Заброшенная мельница», «Болото в лесу. Осень», «Мокрый луг» (1872, Третьяковская галерея).