Получил образование в Петришуле (1846-1849). Окончил юридический факультет Императорского СПб университета, поступил на службу в азиатский департамент Министерства иностранных дел Российской империи.

В 1857 году сопровождал графа Е.В. Путятина в Китай и посетил русские берега Японского моря (в том числе Амур и залив Св. Ольги) и остров Цейлон. Описание этой поездки помещено им в «Известиях Императорского Русского Географического Общества» (1866 г.).

В 1867 году совместно с полковником В.А. Полторацким совершил поездку по Средней Азии до южных отрогов Тянь-Шаня, посетил Нарынский край, озеро Чатыр-Кул и дошёл почти до Кашгара. Во время экспедиции Остен-Сакен собрал обширный гербарий, обработанный впоследствии академиком Рупрехтом.

Принимал деятельное участие в снаряжении географическим обществом экспедиции для изучения хлебной торговли и производительности в Европейской России. Трудился в комиссии того же общества по вопросу об издании писцовых книг.

В 1870 году напечатал обширное примечание к труду об озере Иссык-Куле и находимых на дне его остатках древних построек.

В 1872 году участвовал в разработке вопроса об издании этнографической карты России, а в 1890 году — вопроса об учреждении при Русском географическом обществе особого повременного издания, посвященного вопросам метеорологии. Неоднократно исполнял обязанности секретаря, председателя отделений и помощника председателя ИРГО; в последние годы жизни состоял его почётным членом.

В честь Ф. Р. Остен-Сакена названы: гора (Баренцево море, архипелаг Шпицберген, название присвоено немецким географом А. Петерманом), мыс (Карское море, Таймырская губа; нанесён на карту в 1901 участниками экспедиции 1901—1903 гг., тогда же присвоено название)