Федор Васильев родился 10 (22) февраля 1850 года в городе Гатчине, что ныне находится в Ленинградской области, в семье мелкого почтового чиновника из Петербурга. Уже в возрасте 12 лет пошел по стопам отца – поступил на службу в главный почтамт. С детства проявлял недюжинный художественный талант и способности к рисованию. Бросив службу, Федор поступил в Рисовальную школу Общества поощрения художеств в Петербурге. Здесь он познакомился и стал дружен с такими известными русскими художниками, как Иван Крамской и Иван Шишкин. К моменту окончания учебы и сам Васильев получил большую известность.
В 1867 году уезжает на остров Валаам, где работает в течение пяти месяцев. В 1869-м 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 повлияли на развитие самобытного таланта художника.