Родился 11 января 1919 года станции Турпаново (ныне не существует, находилась на территории современного населённого пункта Малахово Ленинского района Тульской области) в семье кретьянина.
Окончил 6 классов средней школы, в 1936 году железнодорожное фабрично-заводское училище (ФЗУ). С 1936 года работал слесарем-паровозником в железнодорожном депо станции Тула-Лихвинская. Одновременно окончил Тульский аэроклуб.
В декабре 1939 года был призван в Красную Армию Тульским горвоенкоматом. В апреле 1941 года окончил Таганрогскую военную авиационную школу. Служил в бомбардировочном авиационном полку Московского военного округа. В июле 1941 года направлен в Рязанскую военную авиационную школу для обучения ночному пилотированию, которую окончил эту школу в июне 1942 года.
На фронтах Великой Отечественной войне сержант Фёдор Титов участвовал с 6 июля 1942 года. Воевал в составе 748-го авиационного полка дальнего действия (в августе 1942 года полк получил гвардейское звание и стал именоваться 2-м гвардейским авиационным полком дальнего действия). Был командиром экипажа, с начала 1943 года — командиром звена, с мая того же года — заместителем командира авиационной эскадрильи. В 1942 году ему были присвоены воинские звания старшего сержанта и старшены, в 1943 году — воинские званния: младший лейтенант, лейтенант, старший лейтенант.
На фронте летал на «ИЛ-4», с 1943 года — на «Б25 Митчелл». Выполнял боевые вылеты на нанесение ударов по железнодорожным узлам и аэродромам врага в Пскове, Смоленске, Бресте, Брянске, Рославле, Идрице и др. Имеет вылеты в глубокий тыл врага на бомбардировку Варшавы, Данцига, Кёнигсберга, Тильзита, Хельсинки.
Принимал участие в Сталинградской битве (14 боевых вылетов), в Курской битве (17 боевых вылетов). К февралю 1943 года выполнил 69 боевых вылетов, к июлю 1943 года — 132 боевых вылета, к октябрю 1943 — уже 186 боевых вылетов. К маю 1944 года выполнил 223 боевых вылета, нанёс значительный урон врагу. К концу войны выполнил 294 боевых вылета. Стал командиром эскадрильи.
Летом 1945 года в составе сводной группы из нескольких лучших экипажей полка был переброшен на Дальний Восток и прикомандирован к одному из авиационных полков 18-й воздушной армии. Во время советско-японской войны в августе 1945 года выполнил 3 боевых вылета.
Затем продолжал службу в Советской Армии, был командиром эскадрильи в 170-м тяжело-бомбардировочном авиаполку. В 1947 году окончил курсы усовершенствования офицерского состава ВВС. В 1961 году полковник Ф. И. Титов уволен в запас.
Жил в городе Воронеже. Работал диспетчером в конструкторском бюро, руководителем полётов в Воронежском авиапредприятии.
Умер 12 марта 2011 года, похоронен в Воронеже.
За образцовое выполнение боевых заданий командования на фронте борьбы с немецко-фашистскими захватчиками указом Президиума Верховного Совета СССР от 19 августа 1944 года гвардии старшему лейтенанту Титову Фёдору Ивановичу присвоено звание Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали «Золотая Звезда» (№ 4417).
Награждён тремя орденами Ленина (1943, 1944, 1956)
Награждён двумя орденами Красного Знамена (1943, 1955)
Награждён орденом Александра Невского (1945)
Награждён двумя орденами Отечественнй войны 1-й степени (1944, 1985)
Награждён орденом Отечественной войны 2-й степени(1945)
Награждён орденом Красной Звезы (1955)
Награждён медалями «За оборону Ленинграда» «За оборону Сталинграда», «За взятие Кенигсберга», За взятие Берлина», «За победу над Германией», «ХХХ лет СА и ВМФ», а также медалью "За доблестный труд».
Почётный гражданин Воронежской области (2010).