В октябре 1943 г. призван в Красную Армию, с декабря 1943 г. — в боях Великой Отечественной войны, разведчик 681-го стрелкового полка 133-й стрелковой дивизии. 

Особо отличился в наступательных боях в марте 1944 г.: за период с 8 по 20 марта привёл 25 пленных языков. В ночь на 24 марта 1944 г. 681-й стрелковый полк приступил к форсированию Днестра; Ф. Трофимов с группой разведчиков первым преодолел реку в районе села Липчаны (Винницкая область), завязался бой с имевшим численный перевес противником. В бою Ф. Трофимов, используя гранаты и идя врукопашную, уничтожил 20 немецких солдат. 28 марта в бою за село Медвежа (Молдавия) в составе группы разведчиков в течение 4 часов отразил 8 контратак врага, затем пошёл в атаку с несколькими гранатами и прорвался из окружения, уничтожив 80 немецких солдат и офицеров. За эти бои 13 апреля был представлен к присвоению звания Герой Советского Союза.

Участвовал в Ясско-Кишиневской операции, освобождал Румынию. В мае 1944 г. при выполнении боевого задания у реки Сирет (Румыния) был тяжело ранен.

Указом Президиума Верховного Совета СССР от 13 сентября 1944 г. за образцовое выполнение заданий командования на фронте борьбы с немецко-фашистскими захватчиками и проявленные при этом отвагу и геройство красноармейцу Трофимову Фёдору Леонтьевичу присвоено звание Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина (№ 35028) и медали «Золотая Звезда» (№ 4780).

Осенью 1944 г. — командир отделения 129-го линейного батальона связи. В 1945 г. участвовал в выводе из окружения десанта союзников, за что был награждён высшей наградой Армии США - крестом «За выдающиеся заслуги».

Закончил войну в Чехословакии, под городом Брно. Всего за годы войны участвовал в захвате 187 «языков»; пять раз был ранен.

В мае-июле 1945 г. участвовал в операциях против «бандеровцев» в Западной Украине. В июле 1945 г. уволен в запас в звании «старший сержант».

Похоронен на Аллее славы городского кладбища (Северск)