Федор Шехтель родился 7 августа (26 июля) 1859 года в Санкт-Петербурге в семье немецких колонистов, переехавших в Россию из Баварии в XVIII веке. Его отец - Осип Осипович, был инженером-технологом. Мать - Дарья Карловна (Розалия Доротея) Гетлиб - из петербургской купеческой семьи. Сыну при рождении дали имя Франц-Альберт, которое он после принятия православия сменил на имя Федор. Детство провел в Саратове, куда семья переехала в 1864 г.
В 1875 г. поступил на архитектурное отделение Московского училища живописи, ваяния и зодчества на курс Дмитрия Чичагова, но ушел с третьего курса.
Затем в течение почти десяти лет работал помощником у архитектора Александра Каминского. В соавторстве с ним в 1875 г. исполнил конкурсный проект фасада здания Исторического музея в Москве (проект не был принят). Также был помощником архитектора Константина Терского. В 1884-1887 гг. по проекту Терского на Большой Никитской улице было построено здание театра Георга Парадиза (ныне театр им. Владимира Маяковского), лицевой фасад которого был выполнен по чертежам Шехтеля.
В период с 1880 по 1890 гг. занимался оформлением театральных афиш, меню торжественных обедов в ресторанах и др. Был театральным художником-декоратором, иллюстрировал книги и журналы (по его эскизам был оформлен сборник Антона Чехова "Пестрые рассказы" и обложка "Записок охотника" Ивана Тургенева). Вместе со своим другом Николаем Чеховым (братом Антона Чехова), писал иконы и эскизы церковных росписей, принимал участие в оформлении коронационных торжеств (1883 и 1896 гг.).
В 1882 г. поступил на службу к театральному режиссеру и антрепренеру Михаилу Лентовскому. По его заказу в 1883-1886 гг. построил в Москве открытый театр "Антей". В Санкт-Петербурге - театр "Ливадия", ресторан "Кинь-Грусть" в "китайском" стиле. Также для Лентовского проектировал галереи и театры в парках, открытые эстрады, павильоны.
В 1886 г. стал преподавателем основанных архитектором Анатолием Гунстом "Классов изящных искусств".
В 1892 г. был назначен почетным старшиной Московского Совета детских приютов. В том же году по просьбе Антона Чехова участвовал в сборе средств в помощь пострадавшим от неурожая в Поволжье.
26 января 1894 г. получил официальное право ведения строительства от Техническо-Строительного комитета МВД, после чего стал подписывать свои проекты: "техник архитектуры".
В 1895 г. был принят в Московское архитектурное общество. С 1906 по 1922 гг. являлся его председателем, с 1922 г. - почетным председателем.
С 1896 по 1926 гг. преподавал в Строгановском художественно-промышленном училище.
В 1899 г. стал одним из основателей Московского литературно-художественного кружка.
В 1902 г. Петербургская Академия художеств присвоила Шехтелю звание академика архитектуры.
С 1908 г. - член комитета по устройству международных конгрессов архитекторов.
После Октябрьской революции 1917 г. был председателем Архитектурно-технического совета Главного комитета государственных сооружений, членом и председателем ряда конкурсных жюри, профессором Высших художественно-технических мастерских (ВХУТЕМАС).
Федор Шехтель считается одним из создателей русского и московского модерна, однако нередко в своем творчестве сочетал и другие архитектурные стили.
Самые известные постройки архитектора находятся в Москве, где Шехтель прожил большую часть жизни. По его проектам в столице создано более 50-ти зданий, многие из которых вошли в Золотой фонд отечественной архитектуры и находятся под охраной государства. Одной из первых больших работ стало строительство в 1883 г. особняка Саввы Морозова (ул. Спиридоновка, ныне дом приемов МИД РФ). В 1896 г. зодчий построил для своей семьи дом в Ермолаевском переулке (в 1910 г. переехал в собственный особняк на Большой Садовой улице). Среди других его работ - особняк Рябушинского на улице Малая Никитская (1900, ныне Музей-квартира А.М. Горького), особняк Дерожинской в Кропоткинском переулке (1901), здание Ярославского вокзала (1902-1904), перестройка Художественного театра в Камергерском переулке (1902, ныне МХАТ), кинотеатр "Художественный" на Арбатской площади (1912) и др. Также среди лучших произведений (в неорусском стиле) были признаны павильоны русского отдела на Международной выставке в Глазго (1901).
Последней реализованной работой Шехтеля был Туркестанский павильон (совместно с художником Вячеславом Развадовским) на Всероссийской сельскохозяйственной выставке 1923 г.
Создавал проекты Мавзолея Ленина (1924), Днепрогэса (1925), Болшевского оптического завода и др., но все они были отклонены.
По его проектам также были построены здания в других городах России: Таганроге, Ялте, Ростове-на-Дону, Самаре, Нижнем Новгороде.
Шехтель был почетным членом архитектурных обществ Лондона, Парижа, Варшавы, Глазго и Рима, действительным членом Перманентного комитета Международных конгрессов зодчих в Париже, представлял Россию на международных конгрессах архитекторов в Вене (1908) и Риме (1912).
Кавалер орденов св. Анны и св. Станислава.
Был женат на Наталье Тимофеевне (Жегиной). У супругов было четверо детей. Дочери: Екатерина (1888 г.р.), Вера (1896 г.р.;художник-оформитель). Сыновья: Лев (1892 г.р., в 1915 г. взял фамилию Жегин) - живописец и теоретик искусств, Борис (1889 г.р.) умер в детстве.
Скончался 7 июля 1926 г. в Москве, похоронен на Ваганьковском кладбище на территории фамильного захоронения, надгробие которого было сооружено по проекту самого архитектора в 1895 г.