Terzo figlio del pittore Ottaviano de Zucharellis, che nel 1569 modificò il proprio cognome, Federico giunse a Roma nel 1550 nella bottega del fratello Taddeo e con lui collaborò per gli affreschi e gli stucchi della Casino di Pio IV e nel Palazzo Farnese a Caprarola.
Trasferitosi a Firenze, visse nell’abitazione che era stata di Andrea del Sarto, di fianco alla quale costruì Palazzo Zuccari che affrescò con lunette raffiguranti se stesso e la sua famiglia. Qui nel 1565 divenne membro dell’Accademia del Disegno e dal 1574 al 1579 succedette a Vasari negli affreschi per la cupola di Brunelleschi con il Giudizio Universale. Fu presto richiamato a Roma da papa Gregorio XIII (1572-85) per il quale completò la decorazione della Cappella Paolina in Vaticano, affrescata da Michelangelo.
I grandi successi ottenuti gli permisero di lavorare anche nelle corti straniere. Nel 1574 soggiornò in Inghilterra dove realizzò i ritratti della regina Elisabetta I, di Maria Stuarda e altri rilevanti personaggi della corte britannica, mentre dal 1586 al 1588 fu in Spagna dove affrescò l’Escorial per Filippo II.
Tornato a Roma, nel 1593 fondò l’Accademia di San Luca, di cui fu il primo principe. Data la sua impostazione considerò molto negativamente le novità della pittura di Caravaggio