18-jährig nahm er in Göttingen das Studium der Astronomie auf und fand dort die Unterstützung des längst pensionierten Carl Friedrich Gauß. Ihm legte er seine ersten Beobachtungen des großen April-Kometen von 1854 vor.
Ein Jahr später wechselte er nach Berlin, wo er schließlich bei Johann Franz Encke mit einer Arbeit über einen Doppelstern promoviert wurde.
Später interessierte er sich mehr für Veränderliche Sterne, deren Beobachtung er während seiner Zeit bei Friedrich Wilhelm Argelander in Bonn gelernt hatte. Dort wurde Wilhelm Struve auf den jungen Kollegen aufmerksam und holte ihn für mehrere Jahre an seine Sternwarte in Pulkowo bei Sankt Petersburg.
Sieben Jahre später kehrte Winnecke aus gesundheitlichen Gründen nach Deutschland zurück, wo er sich zunächst in Bonn und später in Karlsruhe niederließ.
Als 1872 die Sternwarte der neu gegründeten deutschen Universität Straßburg eingerichtet werden sollte, fiel die Wahl auf ihn als Gründungsdirektor.
Dort bereitete er auch die deutsche Expedition zum Venusdurchgang von 1874 vor und wertete später die wissenschaftlichen Daten aus.
Friedrich Winnecke starb 1897 im Alter von 61 Jahren in Bonn.