Фредерик Лейтон родился 3 декабря 1830 года в Скарборо, графство Северный Йоркшир. Его отец, Эдвард Лейтон, преподавал медицину, а дед был придворным врачом российского императора Александра I.
Лейтон начал рисовать в девять лет, поправляясь после скарлатины. В 1842 году он (прибавив себе несколько лет) поступил в берлинскую Академию художеств. Уже через три года его приняли в Академию художеств во Флоренции.
Серьёзно писать Фредерик Лейтон начал во Франкфурте в 1846 году. Здесь он поступил в местный институт культуры. Через два года Лейтон покидает Франкфурт, в связи с революционными волнениями и переезжает в Париж.
В 1850 году он вместе с семьёй вновь оказался во Франкфурте и смог закончить учёбу. В Германии Лейтон преступил к работе над первыми масштабными полотнами (сюжеты, взятые из жизненных сцен итальянского живописца Чимабуэ, жившего во второй половине XIII столетия). Подобный выбор был характерен для художника, воспитанного в традициях классической школы.
Чтобы лучше проникнуться творчеством великих итальянских живописцев, Лейтон в 1852 году принял первое в своей жизни самостоятельное (одиночное) путешествие. В ноябре того же года он был уже в Риме, где с головой окунулся в вихрь светских удовольствий. Руководительницей Лейтона в его похождениях стала Аделаида Сарторис, известная оперная певица.
Салон Аделаиды Сарторис открыл возможность молодому живописцу познакомился со многими замечательными людьми своего времени, в том числе с Уильямом Теккереем. Особенно тесные дружеские отношения завязались у него с «поэтической» семьёй Браунингов, а также с ведущими французскими академическими живописцами того времени, Ж. Л. Жеромом и А. В. Бугро. Впоследствии, Лейтон создал серию иллюстраций к поэме Элизабет Барретт Браунинг, а после её смерти спроектировал надгробие на её могиле.
В 1855 году он завершил работу над своей «Мадонной Чимабуэ» и отослал её в Лондон, на выставку Королевской Академии. Картина заполучила огромный успех и была приобретена королевой Викторией за 600 гиней. О художнике заговорили в аристократических кругах Англии.
В 1855 Лейтон так же посещает Всемирную выставку в Париже и остаётся в городе на последующие три года (с перерывами), где совершенствовал своё мастерство. В 1857 году он едет в Алжир. С этой поездки началось его увлечение восточной культурой, мотивы которой впоследствии художник часто использовал в своих живописных полотнах. В дальнейшем мастер побывал в Сирии, Египте и Турции.
В 1859 году Лейтон уже в Лондоне, принц Уэльский приобрёл в этом же году его картину, после чего наследник престола стал не только дальнейшим покровителем живописца, но и его верным другом. В 1859-м художник вступил в 20-й Добровольческий стрелковый корпус Миддлсекса, больше известный как «Стрелковый корпус художников» и принимал самое активное участие в жизни своего подразделения. В 1880-м году Лейтону присвоили звание полковника.
Уже в начале 1860-х годов его ежегодный доход составлял около 4000 фунтов стерлингов. В 1864 году положение Лейтона ещё более упрочилось — он стал членом Королевской Академии художеств. К этому году для художника был построен роскошный особняк с мастерской в Кенсингтоне, на Холленд-Парк-роуд столицы Британии. А в 1869-м году Лейтона назначили инспектором художественных школ при Королевской Академии. Крупнейшим произведением, созданным живописцем в этом году, стали две фрески «по индустриальным мотивам».
1878 год принёс Лейтону новые почести и обязанности. Его избрали президентом Королевской Академии и наградили французским орденом Почётного легиона. Тогда же ему был присвоен дворянский титул. В 1880-м году правительство Италии предложило мастеру прислать свой автопортрет для уникальной коллекции автопортретов знаменитых живописцев, которая хранится в галерее Уффици. А в 1896 году, перед самой смертью, Лейтон первым из британских художников удостоился титула барона. 25 января 1896-го года Лейтон скончался. Гроб с телом мастера выставили в Королевской Академии, а 3 февраля Лейтона со всеми почестями похоронили в лондонском соборе Св. Павла.