Федір Василенко народився 18 вересня 1911 року в селі Красногорівка (нині Великобагачанський район Полтавської області України) у селянській родині. 1933 року він закінчив педагогічний технікум. Того ж року Василенка було призвано на службу до Робочо-селянської Червоної Армії. 1938 року Василенко закінчив школу льотчиків-спостерігачів. Брав участь у радянсько-фінській війні. З червня 1941 - на фронтах Великої Вітчизняної війни. У 1942-1943 роках Василенко брав участь у бомбардуваннях Кенігсберга, Тільзіта, Інстербурга, Данцига. У 1943 році він вступив до ВКП(б). До березня 1944 року гвардії капітан Федір Василенко був штурманом ескадрильї 10-го гвардійського авіаполку 3-ї гвардійської авіадивізії 3-го гвардійського авіакорпусу АДД СРСР . До березня 1944 року Василенко здійснив 218 бойових вильотів на бомбардування ворожих объектов. Указом Президії Верховної Ради СРСР від 13 березня 1944 року за «зразкове виконання бойових завдань командування на фронті боротьби з німецькими загарбниками і виявлені при цьому мужність і героїзм» гвардії капітан Федір Василенко був удостоєний високого звання Героя Радянського Союзу з врученням Зірка» за номером 3283. Останній свій бойовий виліт Василенко здійснив 28 квітня 1945 на бомбардування противника в Берліні. Після закінчення війни він продовжив службу у Радянській Армії. 1947 року Василенко закінчив курси удосконалення комскладу авіаескадрилій, був штурманом полку далеких бомбардувальників. 1956 року в званні майора його було звільнено в запас. Проживав у Полтаві, помер 24 серпня 1983 року, похований на полтавському Центральному цвинтарі. Був також нагороджений чотирма орденами Червоного Прапора, орденами Великої Вітчизняної війни 1-го ступеня та Червоної Зірки, а також рядом медалей.