Attivo durante la Controriforma, Federico Barocci sviluppò uno stile influente per la pittura e per l'arte dell'incisione. Potremmo anche spingerci oltre, e affermare che fu l'artista più originale del suo tempo nell'Italia centrale. Rimase fedele allo stile della sua epoca, il Manierismo, ma ebbe un approccio originale, rappresentato da un uso drammatico della luce, unito a una spiritualità altamente emozionante. Dimostrò una sensibilità unica nel rendere figure realistiche e delicatamente espressive, con colori caldi, emozionanti e affascinanti. Fu un precursore del Barocco, e influenzò soprattutto gli artisti fiamminghi, come Pietro Paolo Rubens (1577-1640).
Il suo Martirio di san Vitale influenzò molto il Martirio di san Livinio di Rubens. L'opera di Federico Barocci fu importante anche per lo scultore romano Gian Lorenzo Bernini (1598-1680), creatore di alcuni capolavori barocchi, come L'estasi di santa Teresa di Santa Maria della Vittoria.
La sua prima formazione artistica avvenne presso suo padre, Ambrogio Baroccio, uno scultore di origine milanese. Suo zio Bartolomeo Genga incoraggiò la sua carriera artistica. Barocci svolse dunque un apprendistato presso Battista Franco Veneziano, chiamato il Semolei (1510-1561), a Urbino. Altri artisti presso i quali si formò sono Francesco Manzocchi e Taddeo Zuccari (1529-1566), e nuovamente suo zio Genga. Studiò da vicino l'opera di grandi artisti come Tiziano (1485-1576), Raffaello (1483-1520) e soprattutto il Correggio (1489-1534), che ebbero grande influenza su di lui. A volte lavorò insieme a Federico Zuccari (1542-1609), fratello minore di Taddeo. Fu attivo tra Roma e Urbino, a partire dal 1535 fino a qualche anno prima della sua morte, nel 1612.
I suoi lavori più ambiziosi sono considerati La deposizione della Croce, nel duomo di Perugia, La Madonna del popolo degli Uffizi e il Martirio di san Vitale. Gli Uffizi ospitano anche i suoi ritratti di Francesco II della Rovere e Ippolito della Rovere, il suo Noli me tangere e il suo Ritratto di fanciulla. Le sue incisioni più apprezzate sono Il perdono di Assisi e l'Annunciazione. Esistono più di 2,000 disegni documentati come suoi, dato che realizzò tantissime pale d'altare e ritratti.
Come riporta l'Enciclopedia Cattolica, pare che un gruppo di pittori, per invidia, abbia tentato di avvelenarlo, mentre si trovava all'apice del successo. Questa potrebbe essere la causa della debolezza che segnò la sua vecchiaia, quando infatti diminuì la sua produzione. Il grande biografo del Rinascimento italiano, Giorgio Vasari, scrisse che Barocci era "un giovane di grandi aspettative". Il biografo dell'età barocca, Gian Pietro Bellori (1613-1696), lo considerava il maestro assoluto del suo periodo.