Федерико следва в Болонския университет. Папа Пий IV го издига на Консисторията от 6 януари 1563 г. за кардинал с църквата Santa Maria Nuova. Като наследник на чичо си Ерколе Гонзага през 1563 г. Фредерико става епископ на Мантуа. Братовчед му Франческо Гонзага (1538 – 1566) го наследява в службата му през 1561 г.
След смъртта му Федерико е погребан в катедралата „Св. Петър и Павел“ в Мантуа.