Мильгаузен поступил в Петербургский медицинский институт в возрасте 14 лет, а в 22 года уже начал врачебную практику. Работал врачом в Обуховской больнице и проявил себя как дельный и самоотверженный работник. В 1806 получил звание гражданского генерала-лекаря и должность главного врачебного инспектора.
Внес значительный вклад в борьбу с эпидемиями: по распоряжению императора был командирован в Вильно (1807), в Саратовскую губернию (1808), затем в Дерпт, Финляндию, Самару. За добросовестный труд удостоен орденов, денежных наград и чинов. В 1811 назначен членом комитета по ученой медицинской части, избран корреспондентом, а затем членом медицинского Совета Министерства духовных дел и народного просвещения и др. Выйдя в отставку по болезни, уехал в Крым чиновником для особых поручений по врачебной части при Таврическом губернаторе и поселился в Симферополе. Боролся с чумой в Закубанской области (1822), в Севастополе (1829), а в 1833 с холерой в Таврической губернии. По примеру своих коллег — врачей-естествоиспытателей X.Х. Стевена, А. Ф. Арендта и Бетлинга увлекся садоводством и создал сад, ставший образцом садовой культуры. Изучал флору и фауну Крыма. С 1821 до конца жизни проводил метеорологические наблюдения. Данные наблюдений М. впоследствии были обработаны П. И. Кеппешем и Г. И. Вильдом и опубликованы в летописях Главной физической обсерватории. Г. И. Вильд использовал их также в своих работах «О температуре воздуха в Российской империи» (Спб, 1882) и «Об осадках в Российской империи» (Спб, 1888). В 1835 избран членом-корреспондентом статистического отделения совета Министерства внутренних дел (этому отделу он посвятил свои наблюдения с целью составления фундаментального труда по медико-топографическому описанию Крыма), а также членом Московского общества испытателей природы. Активно занимался врачебной практикой и пользовался искренней любовью пациентов, о чём свидетельствует празднование 50-летия его врачебной деятельности. По инициативе предводителя дворянства Каэначеева была объявлена подписка на приобретение подарка юбиляру, причем было поставлено условие, что сумма пожертвования не должна превышать 1 рубль. Многие лица пожелали таким образом высказать Мильгаузену свою признательность. На собранные деньги была заказана серебряная ваза по рисунку И. К. Айвазовского. На одной стороне вазы была изображена аллегорическая картина: на фоне Чатыр-дага Федор Карлович сидел в кресле, ему с поклоном подносил хлеб-соль русский мужик, за ним располагалась группа — татарин, немец, караим, еврей и армянин — все в национальных костюмах.
Федор Карлович Мильгаузен скончался в марте 1853 г. Хоронил его весь Симферополь. В конце XIX в. городская дума приняла решение назвать именем ученого и общественного деятеля уже обозначившуюся улицу, на которой стоял и стоит доныне его дом. При оформлении табличек было допущено искажение фамилии, и улица стала называться Мюльгаузенской.
Бывший заведующий Крымским областным комитетом по делам музеев и охраны памятников искусства, старины, природы и народного быта (КрымОХРИС) А. И. Полканов в 1921 г. видел на стене кабинета Ф. К. Мильгаузена, в рамке под стеклом, неизвестный автограф А. С. Пушкина. Когда Полканов поинтересовался им, внучка Мильгаузена рассказала, что это фамильная реликвия — дар великого русского поэта её деду. В 1924 г. дальние родственники Мильгаузена вывезли всю обстановку дома в Москву, и следы этой реликвии затерялись [47].
Дом, где он жил, - до сих пор стоит в г.Симферополе. Ул. Киевская, дом 24. В его доме бывали многие знаменитые люди: А. С. Пушкин, художник И. К. Айвазовский, ботаник Х. Х. Стевен, историк П. И. Кеппен, поэты К. Н. Батюшков и В. А. Жуковский, актёр театра М. С. Щепкин, литератор В. Г. Белинский и многие другие. В Симферополе в те времена говорили: "Половину города лечил Мильгаузен, в то время как другую половину -Арендт
За его домом сохранился каштан, который был посажен Ф. К. Мильгаузеном в 1829 году в качестве мемориального семейного дерева. В 1972 году решением Крымского Облисполкома «Пятиствольный каштан» был объявлен памятником природы.