Nach zwei Semestern an der Universität Göttingen, wo er unter anderem den längst emeritierten Carl Friedrich Gauß traf, wechselte er nach Berlin und promovierte dort bei Johann Franz Encke mit einer Arbeit über den Doppelstern Eta Coronae Borealis. Es folgten anderthalb Jahre Assistenz bei Friedrich Wilhelm Argelander in Bonn, ehe er von Wilhelm Struve für mehrere Jahre an dessen Sternwarte in Pulkowo bei Sankt Petersburg abgeworben wurde. Dort initiierte er während der Marsopposition 1862 ein Beobachtungsprogramm zur Bestimmung der Sonnenentfernung, das sich auf zeitgleiche Messungen der Marspositionen von zwei weit auseinander liegenden Orten aus stützte.

Aus seinen und den Messungen aus Kapstadt leitete er einen neuen Wert für die Entfernung Sonne-Erde ab. Dieser lag um fast fünf Prozent unter dem rund vier Jahrzehnte zuvor von seinem Doktorvater Franz Encke ermittelten Wert, der aber schon länger als zu groß angesehen worden war.

Sieben Jahre später kehrte Winnecke wegen einer Depression nach Deutschland zurück, wo er sich zunächst in Bonn und später in Karlsruhe niederließ. Nach dem plötzlichen Tod seines ältesten Sohnes verstärkte sich die Depression massiv und führte schließlich zur geistigen Umnachtung. Friedrich Winnecke starb 1897 im Alter von 62 Jahren in Bonn.