Фёдор начал заниматься баскетболом в баскетбольной секции Фрунзенской СДЮШОР (Ленинград). Фёдор Лихолитов 4 года учился и выступал за североамериканский университет «Вирджиния Коммонуэлс» (англ.Virginia Commonwealth) (1998—2002), набирая 11 очков и 8 подборов в среднем за игру, получил степень магистра по специальности Coach and Administration[1].
В конце апреля 2002 года он переехал во Францию и выступал за «Страсбур». По окончании сезона переехал в Грецию — выступать за «Арис». Играя за греческий Арис, ему удалось выиграть Кубок ФИБА в 2003 году и Кубок Греции в 2004 году. Из Греции Фёдор был приглашён в сборную России, в составе которой принял участие в чемпионатах Европы 2003 и 2005 годов. С приходом в сборную Дэвида Блатта Лихолитов перестал попадать даже в расширенный список кандидатов в национальную команду.
В 2004 году Лихолитов вернулся в Россию, в московское «Динамо», но так и не вышел на тот уровень, которого от него ждали. Вот что писал о Лихолитове Дмитрий Матеранский: «Стабильно использовать его сильные стороны (все ту же физику, неплохие навыки игры спиной к кольцу, хорошую работу ног), но одновременно маскировать слабости (прежде всего – в принятии решений), не получалось ни у одного из тренеров». В 2005 году вместе с командой «Динамо» стал серебряным призёром чемпионата России.
Отыграв два сезона за подмосковный «Триумф», в 2008 году подписал контракт с пермским «Урал-Грейтом». По окончании сезона 2008/09 Фёдор, не дождавшись от клуба предложения остаться в Перми ещё на один сезон, решил продолжить карьеру в казанском «УНИКСе». В сезоне 2009/10 Лихолитов прочно обосновался на скамейке казанского «УНИКСа»: к Новому году в его активе было только 6 матчей в российской Суперлиге (в среднем по 8:16 минут, за которые он успевал набрать 4,3 очка и сделать 1,7 подбора).
В 2009 году Федор перешёл в турецкий «Бешикташ». В первый свой сезон он помог «Бешикташу» добраться до полуфинала национального чемпионата, во втором вместе с командой остановился в четвертьфинале. Показатели Лихолитова в сезоне 2010/11: в чемпионате Турции – 22 матча, 16 минут, 7,6 очка, 3,5 подбора, 0,7 блок-шота в среднем за игру, в Еврокубке – 7 матчей, 19,4 минуты, 9,7 очка, 3,6 подбора, 0,4 блок-шота.
В конце июня 2011 года сообщалось, что российским центровым интересуются питерский «Спартак», «Локомотив-Кубань», а также турецкие «Галатасарай» (финалист последнего чемпионата Турции, в четвертьфинале выбивший из розыгрыша именно «Бешикташ») и «Банвит». В межсезонье Лихолитов перешёл из «Бешикташа» в самарские «Красные крылья»[2]. Отыграв сезон за «Красные крылья» и не получив предложений о продолжении карьеры, Фёдор оставался свободным агентом вплоть до подписания контракта в январе 2013 года с волгоградским клубом «Красный Октябрь», который выступал в Суперлиге — втором дивизионе чемпионата России по баскетболу.
29 июля 2013 года перешёл в саратовский клуб «Автодор», который также выступает в Суперлиге.