Федора Барбьери училась пению под наставничеством Ф. Бугамелли и Л. Тоффоло.
На конкурсе в Театре Коммунале во Флоренции выиграла стипендию и завершила свою вокальную и сценическую подготовку под руководством Джулии Тесс.4 ноября 1940 года Федора Барбьери впервые вышла на театральную сцену и с большим успехом у публики и у критики исполнила партию Фидальмы в «Тайном браке» Чимарозы в Театре Коммунале.
На следующий вечер она пела Азучену в «Трубадуре» , заменив неожиданно заболевшую Джанну Педерцини[en]. Для Барбьери это был двойной триумф, открывший для неё двери наиболее престижных театров Италии и других стран, утвердивший её как наиболее значительный голос меццо-сопрано и контральто тех лет.
С 1942 года Барбьери пела в Ла Скала, где с успехом дебютировала с партией Мег Пейдж в «Фальстафе» .
В Метрополитен-опера Барбьери впервые выступила в роли Эболи в опере «Дон Карлос» в 1950 году и за свою карьеру выходила на эту сцену 95 раз в 11 ролях. Певица была участницей и первого представления «Дона Карлоса» в известной постановке Висконти в Ковент-Гардене в 1958 году. Выступала до конца 1980-х.
В 1982 году Барбьери сыграла роль Мамы Лючии в фильме-опере Ф. Дзефирелли «Сельская честь» . Эту партию актриса спела на бенефисе в честь 60-летия творческой деятельности в 2000 году во Флоренции.
В 1991 году Федора Барбьери дебютировала в качестве режиссёра, поставив с большим успехом в оперном театре города Лодзи, в Польше, «Сельскую честь» П. Масканьи.
До конца жизни выступала в концертах, проводила мастер-классы. Барбьери была бессменным членом жюри Международного конкурса молодых оперных певцов Елены Образцовой.Федора Барьбьери была замужем за музыкальным режиссёром Луиджи Барцолетти, принимавшим участие в организации ей карьеры и умершим раньше неё. Супруги имели двоих сыновей.Елена Образцова организовала Международный конкурс меццо-сопрано памяти Федоры Барбьери в Санкт-Петербурге (2012).