Родился 15 февраля 1919 в селе Новосергеевка, Томская губерния.
Разведчик 681-го стрелкового полка (133-я стрелковая дивизия, 40-я армия, 2-й Украинский фронт), старший сержант, Герой Советского Союза.
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 года: 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 года при выполнении боевого задания у реки Сирет (Румыния) был тяжело ранен.
Указом Президиума Верховного Совета СССР от 13 сентября 1944 года 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 и медали «Золотая Звезда».
Осенью 1944 г. — командир отделения 129-го линейного батальона связи. В 1945 году участвовал в выводе из окружения десанта союзников, за что был награждён крестом «За выдающиеся заслуги» (США).
Закончил войну в Чехословакии, под городом Брно. Всего за годы войны участвовал в захвате 187 «языков»; пять раз был ранен.
В мае-июле 1945 года участвовал в операциях против «бандеровцев» в Западной Украине. В июле 1945 г. уволен в запас в звании «старший сержант».
Учился в Московском механическом институте Наркомата боеприпасов, в Томском политехническом институте имени С. М. Кирова (1945—1946; не окончил).
С 1949 г. работал на строительстве комбината № 816 (по производству высокообогащенного урана-235 и плутония), затем — начальником технического снабжения УПП «Химстрой». Член КПСС с 1966 года. С апреля 1979 г. — на пенсии, жил в Северске.
Жил в городе Северск. Скончался 5 ноября 1993 года. Похоронен в городе Северск, на Аллее славы городского кладбища.
Почётный гражданин города Северска.
В городе Северск, на доме № 2 по улице Ленина, где проживал Герой, установлена мемориальная доска.