Учился в гимназии при евангелической церкви Святой Анны (СПб.), в филологической семинарии при Лейпцигском университете, в Лейпцигском университете. Доктор философии (1880), диссертация «Последние годы Второй Пунической войны». В 1882 вернулся в Россию. Вновь защитил магистерскую (1883), докторскую диссертации в Дерптском университете. С 1887 экстраординарный, с 1890 ординарный профессор классической филологии Петербургского университета, декан историко-филологического факультета (1906—08). Член-корреспондент по разряду классической филологии и археологии Отделение исторических и филологических наук с 4 декабря 1893, почетный член по разряду изящной словесности Отделения русского языка и словесности с 11 декабря 1916 ИАН / РАН. Член Краковской (1907) АН. В 1918 приглашен заведовать кафедрой классической филологии в Варшавский университет (Польша). Во время советско-польской войны 1920 вернулся в Петроград. Участвовал в редколлегии «Всемирной литературы». В 1921 выехал в Польшу в командировку, в СССР не вернулся. В 1922—39 профессор кафедры классической филологии Варшавского университета. Член Польской АН. В 1943 покинул Польшу, уехал в Германию. Почетный доктор университетов Гронингена, Оксфорда, Афин, член Баварской, Парижской, Румынской, Британской академий. Автор трудов по психологии религии. Автор свыше 800 научных трудов.

Жена: Луиза Гибель (ум. 1923). Сын: Феликс (р. 1886). Дочери: Корнелия; Амата (1888—1967), жена В.Н. Бенешевича; Тамара; Ариадна; Вероника (ум. 1943). Сын: Адриан Пиотровский (1898—1938), антиковед.

Соч.: Из жизни идей. Т. 1—4. СПб. / Пг., 1907—1922; Соперники христианства. СПб., 1907; Религия древней Греции. 1917; Древнегреческая религия. Пг., 1918; Религия эллинизма. Пг., 1921; Возрожденцы. Вып. 1—2. Пг., 1922; Гомеровская психология. СПб., 1922; Die Letzten Jithie dea zweiten punischei Krieges. Lpz., 1880; Die Gliederung der altattischen Komoedie. Lpz., 1885; Die M'archenkomodie in Athen. SPb., 1896; Cicero im Wandel der Jahrhunderle. Lpz., 1897; Tragodumenon libri tres. Kraków, 1925.

Лит.: Медведев И.П. Неизвестное об архиве Ф.Ф. Зелинского // Музеон: Профессору Александру Ивановичу Зайцеву ко дню семидесятилетия: Сб. статей.  СПб., 1997. С. 338—342; Российская Академия наук: Персональный состав. Кн. 1. М., 1999. С. 175, 290; Добронравин Н.А. Древнегреческая трагедия в новой Европе, или судьба Фаддея Зелинского // Зелинский Ф.Ф. Возрожденцы. СПб., 1999. С. 319—232; «Внять голосу человечности...»: Письмо Ф.Ф. Зелинского М.Н. Покровскому / Публ. М.Ю. Сорокиной // Источник. 2000. № 4. С. 89—92; Литературное зарубежье России: Энциклопедический справочник. М., 2006. С. 272—273; Zaborowski R. Tadeusz Zieliński (1859—1944) i Wincenty Lutosławski (1863—1954). Próba porównania biografii (w 60. i 50. rocznicę ich śmierci) // Strzałkowski A. (ed.) Prace Komisji Historii Nauki, Polska Akademia Umiejętności. T. 8. Kraków, 2007. P. 33—86; Zaborowski R. Tadeusz Zieliński (1859—1944) — sa vie et son œuvre // Annales du Centre Scientifique à Paris de l’Académie Polonaise des Sciences. 2009. № 12. P. 207—222.