Federico Zuccari wurde von seinem älteren Bruder Taddeo (1529–1566) ausgebildet, mit dem er von 1555 bis 1566 in Rom eng zusammenarbeitete. Im Oktober 1563 ging Federico nach Venedig, um im Auftrag von Kardinal Giovanni Grimani Fresken für die Grimani-Kapelle in S. Francesco della Vigna anzufertigen. Nach dem Tod des Bruder 1566 vollendete er dessen begonnene Projekte wie die Ausstattung der Villa Farnese in Caprarola oder der Pucci Kapelle in Trinità dei Monti. 1574 folgten Reisen in die Niederlande, nach Spanien und nach England. Wieder in Italien vollendete er von 1575 bis 1579 die von Vasari (1511–1574) begonnene Ausmalung der Domkuppel in Florenz. 1580 kehrte Federico nach Rom zurück. Dort wurde er 1593 der erste Principe der neu gegründeten Accademia di San Luca, zu deren Sitz er sein Wohnhaus auf dem Pincio, den sog. Palazzo Zuccaro, der heute Sitz der Biblioteca Hertziana ist, bestimmte. 1603 verstarb Federico, der auch kunsttheoretische Schriften publizierte, während einer Reise durch Norditalien.

Umfangreiche Bestände an Zeichnungen von Taddeo und Federico Zuccari verwahren die Uffizien und der Louvre. Händescheidungen zwischen den beiden Brüdern sind nach wie vor schwierig. Ein Corpus der Zeichnungen von Federico Zuccari erarbeitet derzeit James Mundy.