Родился 30 мая 1898 года в селе Перелуч Боровичского уезда (позднее — Опочецкого, ныне Боровичского района) в крестьянской семье. Русский. Член ВКП(б) с октября 1917 года. В детские годы батрачил.
В 1915 году поступил в Кронштадтскую школу юнг. С 1915 по 1920 год служил матросом на военном корабле «Николаев» учебно-минного отряда Балтийского флота. Выступал против царской власти, был арестован и посажен в каземат. В 1917—1920 годах его дважды избирали членом Кронштадтского Совета матросских и солдатских депутатов. Участвовал в вооружённом восстании в Петрограде. В 1919 году сражался против войск Юденича. Штурмовал форт Красная Горка и был ранен. Вскоре демобилизован.
В 1920 вернулся в Боровичи, где занялся комсомольской работой. В 1926 году окончил мединститут. Работал врачом в Смоленской, Куйбышевской, Владимирской областях. В марте 1940 года был назначен рентгенологом Славутской районной больницы Каменец-Подольской области, а с 20 сентября — главным врачом Славутского родильного дома.
Когда началась Великая Отечественная война, Ф. М. Михайлов был направлен на курсы переподготовки военных врачей. В октябре 1941 года под Полтавой попал в окружение, не смог перейти линию фронта и вернулся в город Славуту, где работал главным врачом районной больницы. В это время Ф. М. Михайлов организовал подпольную организацию для борьбы с фашистами. При помощи местных патриотов он объединил подпольные группы нескольких сел Славутского и Шепетовского районов в одну антифашистскую организацию, насчитывавшую в своём составе около 200 человек. Среди них были коммунисты, комсомольцы и беспартийные.
В декабре 1941 года был избран руководящий орган организации — межрайонный подпольный комитет во главе с Ф. М. Михайловым. Комитету удалось создать подпольные организации во многих селах и городах Славутского, Шепетовского, Изяславского, Староконстантиновского, Берездовского, Ляховецкого, Грицевского и Плужнянского районов Каменец-Подольской области, а также в Славутском лагере для военнопленных. Подпольщики слушали радиопередачи из Москвы и распространяли последние известия среди населения, выпускали патриотические листовки. У них была подпольная типография в Славуте, три печатные машинки и три радиоприёмника. В Славутской больнице скрывались и лечились раненые советские военнослужащие. В городе находился «Гросслазарет», в котором в антисанитарных условиях содержались сотни раненых военнопленных. При помощи лагерных врачей под видом инфекционных больных их переправляли в больницу, а там их оформляли как умерших. На самом же деле люди переправлялись в партизанский отряд.
Участники подпольных групп организовывали диверсии. В середине мая 1942 года на железнодорожном участке между станцией Кривин и полустанком Бадовка они пустили под откос эшелон с военной техникой и живой силой врага. 14 июня 1942 года по решению межрайонного подпольного комитета был создан партизанский отряд во главе с учителем села Стриганы Славутского района Антоном Захаровичем Одухой. Отряд вскоре вырос в большое партизанское соединение.
22 июля 1942 года по доносу изменников Ф. М. Михайлов был арестован. На допросе он держался как настоящий патриот и ничего не сказал фашистам. 5 августа 1942 года на территории районной больницы Славуты, где работал Фёдор Михайлович Михайлов, его казнили. В последние минуты жизни он воскликнул: «Да здравствует Советская власть! Смерть гитлеризму!».