Poco si sa della sua formazione, ma di certo fu fondamentale lo studio delle opere conservate alla corte urbinate, soprattutto quelle venete, la cui influenza si manifesta chiaramente nella sua produzione giovanile. All’inizio degli anni Sessanta Barocci è impegnato a Roma nella decorazione del Casino di Pio V nei giardini vaticani. La “Deposizione” di Perugia (1567-69) segna l'inizio della sua produzione più matura: in essa è riscontrabile tutto il suo universo artistico, che muove da Raffaello passando da Correggio e Leonardo sino al Manierismo. Così è anche per le sue celebri Madonne, nelle quali centrale resta l'esempio di Raffaello ma letto attraverso una sicura e personalissima cifra stilistica, fatta di giochi di colore e di movimento.  A Loreto per i duchi di Urbino, suoi affezionati clienti, realizza l’”Annunciazione” ma riceve anche committenze internazionali come “La fuga di Enea da Troia” per l’Imperatore Rodolfo II di Praga. L’opera è dispersa ma ne sopravvive la replica, prodotta per Giuliano delle Rovere e conservata alla Galleria Borghese di Roma. Federico Barocci fu anche un abilissimo disegnatore: si pensi che il corpus grafico da lui prodotto è quantitativamente paragonabile solo a quello di Leonardo.