Фёдор Василенко родился 18 сентября 1911 года в селе Красногоровка (ныне — Великобагачанский район Полтавской области Украины) в крестьянской семье. В 1933 году он окончил педагогический техникум. В том же году Василенко был призван на службу в Рабоче-крестьянскую Красную Армию. В 1938 году Василенко окончил школу лётчиков-наблюдателей. Принимал участие в советско-финской войне. С июня 1941 года — на фронтах Великой Отечественной войны. 

В 19421943 годах Василенко принимал участие в бомбардировках Кёнигсберга, Тильзита, Инстербурга, Данцига. В 1943 году он вступил в ВКП(б). К марту 1944 года гвардии капитан Фёдор Василенко был штурманом эскадрильи 10-го гвардейского авиаполка 3-й гвардейской авиадивизии 3-го гвардейского авиакорпуса АДД СССР[1].

К марту 1944 года Василенко совершил 218 боевых вылетов на бомбардировку вражеских объектов[1].

Указом Президиума Верховного Совета СССР от 13 марта 1944 года за «образцовое выполнение боевых заданий командования на фронте борьбы с немецкими захватчиками и проявленные при этом мужество и героизм» гвардии капитан Фёдор Василенко был удостоен высокого звания Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали «Золотая Звезда» за номером 3283[1].

Последний свой боевой вылет Василенко совершил 28 апреля 1945 года на бомбардировку противника в Берлине. После окончания войны он продолжил службу в Советской Армии. В 1947 году Василенко окончил курсы усовершенствования комсостава авиаэскадрилий, был штурманом полка дальних бомбардировщиков. В 1956 году в звании майора он был уволен в запас. Проживал в Полтаве, скончался 24 августа 1983 года, похоронен на полтавском Центральном кладбище[1].