Ф. Бьюкенен поступает в возрасте 15 лет в американский военно-морской флот мичманом, в 1825 году становится лейтенантом флота, в 1841 — коммандором (капитаном фрегата). Командовал различными шлюпами и фрегатами. В 1845—1847 годах был первым директором Военно-морской академии в Аннаполисе. Участник американо-мексиканской войны. С 1855 года — капитан флота; вплоть до начала Гражданской войны в США — руководитель военной верфи Вашингтон.
С 1861 года Ф. Бьюкенен участвует в морских операциях на стороне Конфедерации. Командовал первым броненосцем Конфедерации Виргиния 8-9 марта 1862 года в битве при Хэмптон-Роудс, в которой был ранен. В августе 1862 года Ф. Бьюкенену было присвоено звание адмирала, и он был направлен в Мобил, Алабама. Патронировал строительство броненосца Теннесси, с которым участвовал в обороне Мобила от войск и флота федералистов и в сражении у Мобил Бей 5 августа 1864 года. Был в этом сражении ранен в взят в плен.
После окончания войны Ф. Бьюкенен жил в Мэриленде, затем переехал в Мобил в штате Алабама. В 1870 году вернулся в родной штат. Скончался в фамильном поместье Уай Хаус (Wye House) в округе Тэлбот, расположенного в 11 км к северу от города Истона. Именем адмирала Ф. Бьюкенена в ВМС США были названы два корабля (Эскадренные миноносцы типа «Чарльз Ф. Адамс»).