Er war der Sohn des römischen Adeligen Angelo Cesi und dessen Ehefrau Francesca (oder Franceschina) Cardoli. Sein älterer Bruder Paolo Emilio Cesi wurde bereits 1517 Kardinal. Ferner war er verwandt mit den Kardinälen Pierdonato Cesiseniore, Bartolomeo Cesi und Pierdonato Cesiiuniore. Federico Cesi studierte in Rom Rechtswissenschaft und arbeitete anschließend als Rechtsanwalt, wurde dann aber Priester.
Kardinal Cesi legte in der Nähe des Petersdoms einen der berühmtesten Gärten im frühneuzeitlichen Rom an. In ihm stellte er seine Antiquitätensammlung aus, einen Skulpturengarten, der auf einem Gemälde von Hendrick van Cleve III dargestellt ist.[1] 1622 wurde die Sammlung, zu der auch die berühmte Juno Ludovisi gehörte, von Kardinal Ludovico Ludovisi erworben.
Beigesetzt wurde Federico Cesi in der Kirche Santa Caterina de’ Funari; später wurde sein Leichnam in die Basilika Santa Maria Maggiore überführt.