Фёдор Оцеп родился 9 февраля 1895 в Москве в семье владельца фабрики по производству зонтиков. После окончания лицея учился в Московском университете. Одновременно с учёбой работал журналистом, писал рецензии на фильмы. В 1915 был ассистентом на хронике и сценаристом у продюсера Иосифа Ермольева. С 1918 был драматургом и художественным руководителем киноколлектива «Русь», написал сценарии фильмов «Поликушка» и «Аэлита». В 1925 снялся в режиссёрском дебюте Всеволода Пудовкина, эксцентрической комедии «Шахматная горячка». В 1926 дебютировал в качестве режиссёра фильмом «Мисс Менд» (по приключенческому комиксу Мариэтты Шагинян «Месс-менд»), который пользовался огромным зрительским успехом. В этом фильме в небольшой роли дебютировала восемнадцатилетняя дочь украинца и шведки — красавица Анна Стэн, его будущая жена. В 1927 снял фильм «Земля в плену» с Анной Стэн в главной роли.
В 1929 поставил совместный германо-советский фильм «Живой труп» (Der lebende Leichnam) по пьесе Льва Толстого с Пудовкиным в главной роли. Оставшись в Германии, в 1931 снял фильм «Убийца Дмитрий Карамазов» (Der M?rder Dmitri Karamasoff), экранизацию романа Федора Достоевского. Этот фильм, как это было принято на заре звукового кино, был снят в двух вариантах — с немецкими актёрами на немецком и с французскими — на французском языке. Но главную женскую роль в обоих вариантах исполнила Анна Стэн, которую вызвали из Советской России специально для участия в этом фильме. Анна Стэн уехала по приглашению в Голливуд, а Фёдор Оцеп работал с 1932 во Франции. В 1934 снял фильм «Страх» (La peur) и экранизацию новеллы Стефана Цвейга «Амок» (Amok). В 1937 поставил экранизацию «Пиковой дамы» (La dame de pique) Александра Пушкина, а в 1938 в Италии вместе с Марио Солдати — «Княжну Тараканову» (La principessa Tarakanova) с Анной Маньяни и Альберто Сорди. В том же году Эрих фон Штрогейм сыграл главную роль в военной драме Оцепа «Гибралтар» (Gibraltar, 1938).
После начала Второй мировой войны через Марокко эмигрировал в США. В 1943 на пике моды на русскую тему в Голливуде вместе с Генри Кеслером снял военную кинокомедию «Три русские девушки» (Three Russian Girls) с Анной Стэн в главной роли. В 1945 поставил в Испании комедийный мюзикл «Ноль за поведение» (Cero en conducta). Последние фильмы снял в Канаде: «Отец Шопен» (Le P?re Chopin, 1945), «Город слухов» (Whispering City, 1947), «Крепость» (La forteresse, 1947).
Умер от сердечного приступа 20 июня 1949 в Беверли-Хиллз.