Герой Социалистического Труда, советский конструктор артиллерийского вооружения, генерал-лейтенант-инженер, доктор технических наук, действительный член Академии Артиллерийских наук, член КПСС с 1942 года. В Красной Армии с 1944 года. Родился в деревне Докторово Тульской губернии в семье крестьянина. В 1919—1920 годах работал на железной дороге, был курсантом пехотной школы, затем снова работал в деревне, избирался в сельсовет. В 1924—1925 годах служил в Красной Армии и вечерами учился на рабфаке, который окончил в 1927 году.

В 1927 году поступил в МВТУ им. Баумана. В 1930 году был переведён на военно-механический факультет Ленинградского машиностроительного института, который закончил в 1931 году. В этом же году начал работать на заводе № 172 в Мотовилихе (Пермь) сначала начальником технического бюро цеха, затем начальником сборочного участка, с 1934 года — старшим инженером-конструктором, с 1938 — начальником опытного конструкторского бюро, затем главным конструктором завода. В 1936 году возглавил разработку 152-мм гаубицы МЛ-20, успешно прошедшей испытания в 1937 году и принятой к серийному производству, затем создал 122-мм корпусную пушку образца 1931/37 г., принятую к производству в 1939 году. 

В марте 1937 года на заседании Совета Труда и Обороны в Кремле с участием И. В. Сталина и К. Е. Ворошилова и директоров и главных конструкторов ряда ведущих артиллерийских заводов Ф. Ф. Петров выступил с изложением своих конструкторских предложений по созданию новой массовой 122-мм дивизионной гаубицы. Получив поддержку высшего руководства, в 1938 году был назначен начальником опытного конструкторского бюро и во главе небольшого коллектива в короткие сроки разработал гаубицу М-30 — одно из лучших орудий этого калибра, состоявшее на вооружении артсоединений прорыва Резерва Главного Верховного Командования в годы Великой Отечественной войны.

Руководством страны было принято решение освоить производство новой гаубицы сразу на трех заводах — на Мотовилихе, Уралмашзаводе и заводе № 92, где М-30 подверглась острой, но далеко не всегда обоснованной критике В. Г. Грабина. Однако особенно неблагополучная обстановка сложилась на Уралмашзаводе. Для исправления создавшегося положения и оказания помощи на завод прибыла комиссия ЦК ВКП(б) вместе с руководителями ГАУ и НКВ. По результатам ее работы было заменено руководство завода. Для укрепления кадров (старое малочисленное артиллерийское КБ завода в связи с серией неудачных работ почти распалось) и более оперативного решения вопросов при постановке на серийное производство М-30 в 1940 году на Уралмашзавод были переведены Ф. Ф. Петров, А. Н. Булашев, Н. Г. Кострулин. С этого времени и до 1974 года жизнь была неразрывно связана с заводом № 9 и с КБ, которое, несмотря на свою малочисленность, в годы Великой Отечественной войны разработало под его руководством восемь принятых на вооружение артиллерийских систем: 152-мм гаубицу Д-1, 85-мм, 100-мм и 122-мм орудия для самоходных пушек, 122-мм и 152-мм самоходные гаубицы, 85-мм пушку Д-5Т для танков Т-34 и ИС-1 и 122-мм пушку Д-25Т для танков ИС-2 и ИС-3.

В 1942 году он был назначен главным конструктором артиллерийского завода. В конце 1942 года в короткий срок создал вместе с конструктором танков Ж. Я. Котиным самоходно-артиллерийскую установку СУ-122. В 1943 году разработал 152-мм гаубицу образца 1943 г., затем мощные 85, 100, 122-мм пушки для перевооружения танков ИС и Т-34, самоходных установок СУ-85, СУ-100 и СУ-122.
Нужно отметить, что Федор Федорович был одним из первых создателей боевых тактических ракет. Он был главным конструктором созданной в 1958 году управляемой тактической ракеты Д-200 (с пороховым двигателем) комплекса 3М1 «Онега». Ракета содержала много технических новинок, в частности, оригинальную систему управления, которая впервые в мире использовала цифровую технику. В последующем наработки по данной ракете были использованы при создании метеорологической ракеты МР-12. В 1974 году переехал в Москву, где продолжал работать в МОП. С 1975 года — в отставке. Был депутатом Верховного Совета СССР 2-го и 4-го созывов.

Широкая унификация и высокая технологичность основных агрегатов, характерные для орудий , позволили в кратчайшие сроки организовать их массовое производство и обеспечить фронт оружием Победы, намного превосходящим аналогичное вооружение всех воевавших армий других государств.

В предвоенные годы и в годы Великой Отечественной войны под его руководством созданы: 152-мм гаубица-пушка образца у 1937 г.; 122-мм пушка образца с 1931-1937гг.; 122-мм гаубица образца 1938г.; 107-мм пушка образца в 1940г.; 152-мм гаубица образца 1943г.: самоходные артиллерийские установки: 85-мм, 122-мм, 152 мм образца 1943 г.; 100-мм и 122-мм образца 1944 г.; танковые пушки 85-мм, 100-мм и 122-мм.
В послевоенный период под его руководством разработаны: 57-мм самодвижущаяся пушка, 85-мм буксируемая пушка, 85-мм противотанковая пушка, 100-мм танковая пушка, 122-мм гаубица на трёхстанинном лафете с круговым обстрелом, 152-мм пушка-гаубица.

До 1974 года были созданы буксируемые пушки различного класса: Д-44, Д-48, СД-44, СД-57, Д-74, пушка-гаубица Д-20, гаубица Д-30 (2А18). Были разработаны орудия 2А31, 2А33 для самоходных гаубиц 2С1, 2С3. Большинство принимаемых на вооружение отечественных танков оснащались 76, 100 и 125-мм пушками разработки ОКБ-9. По своим тактико-техническим данным, надежности и живучести, простоте устройства и удобству эксплуатации все эти орудия отвечали требованиям времени и превосходили зарубежные аналоги.

Герой Социалистического Труда. Награждён тремя орденами Ленина, орденом Октябрьской Революции, орденом Кутузова 1-й степени, орденом Суворова 2-й степени, орденом Отечественной Войны 1-й степени, орденом Трудового Красного Знамени и медалями.Лауреат Ленинской премии (1967) и четырежды Сталинской премии первой степени (1942, 1943, 1946 — дважды).

Умер 19 августа 1978 года. В городе Венёв Тульской области года ему установлен памятник (1985).