Federico Cesari esordisce fin da giovanissimo in televisione partecipando, nel 2009, alla quarta stagione de I Cesaroni e alla seconda di Tutti pazzi per amore. La notorietà arriva nel 2018 quando interpreta Martino Rametta nella serie Netflix Skam Italia.  A gennaio 2020 prende parte alla miniserie La guerra è finita, in onda su Rai 1, in occasione della Giornata della Memoria. La sua carriera cinematografica inizia nel 2007 con La cena per farli conoscere regia di Pupi Avati, proseguendo l’anno successivo con Il figlio più piccolo, sempre del maestro Avati. Nel 2017 interpreta Massimo nel film di Federico Moccia, Non c’è campo ed è protagonista nel primo film italiano Amazon Original, Anni da Cane, diretto da Fabio Mollo.

A ottobre 2022 è protagonista di una nuova serie Netflix, Tutto chiede salvezza, regia di Francesco Bruni, in cui si affronta il delicato percorso del trattamento sanitario obbligatorio e grazie al quale vince il premio Persol ai Nastro D’Argento.  Nel 2023 prende parte al film diretto da Claudio Bisio L’ultima volta che siamo stati bambini. Nel 2024 è nel cast del film tv di Roberto Faenza Folle d’Amore, dedicato ad Alda Merini e al cinema nel nuovo progetto di Berardo Carboni, Greta e le favole vere. Ha inoltre partecipato a teatro nella tournée di Magnifica Presenza regia di Ferzan Ozpetek.