Quando il padre ereditò il Ducato di Sassonia-Altenburg (1672), vi pose come reggente il figlio Federico. Nel 1674 Ernest, che era già malato, nominò Federico reggente su tutte le sue terre.
Alla morte del padre (1675) Federico assunse i troni di entrambi i ducati. In base alle leggi di famiglia, dovette far partecipare al governo del ducato i suoi sei fratelli, che inizialmente, fino al 1676, stabilirono concordemente la propria sede al castello di Friedenstein.
Federico continuò il lavoro iniziato dal padre. In modo da evitare futuri scontri tra i propri discendenti, stabilì il diritto di primogenitura della sua casata nel 1685 (con assenso imperiale garantito nel 1688). Attorno al 1680 stabilì la propria residenza nel castello di caccia presso il villaggio di Erffa, a circa 20 km da Gotha, che da lui prese il nome di Friedrichswerth.
Nel 1683 creò il teatro di Gotha (Gothaer Schloßtheater), tuttora esistente. Tenne anche una serie di diari personali, che divennero un'importante fonte storica per il periodo. Prese parte alla guerra austro-turca ed alla Guerra della Grande Alleanza contro la Francia. Rovinò le finanze del proprio stato usandole per mantenere un esercito stabile, che al momento della sua morte si componeva di 10 000 uomini.