Родился в семье старообрядцев — незаконный сын солдатской дочери.
До 1893 года носил фамилию Фёдоров.
В 1892 году окончил Московское училище живописи, ваяния и зодчества (МУЖВЗ), а в 1895 году Императорскую Академию художеств (ИАХ) по классу профессора А. С. Томишко. Окончил учёбу со званием художника-архитектора. По окончании ИАХ работал в мастерских столичных архитекторов, в том числе у В. В. Суслова. Был командирован в поездку по северным русским городам для изучения памятников русского зодчества, чем занимался до 1897 года. После выполнения этой работы был командирован в пенсионерскую поездку за границу, где находился до 1899 года.
С того же года до конца жизни преподавал в МУЖВЗ историю русского искусства.
В 1900—1910 годах служил преподавателем в Строгановском училище, в 1907—1910 годах — в Московском археологическом институте.
В 1900 году был избран членом-корреспондентом Императорского Московского археологического Общества (ИМАО), а с 1904 года стал действительным членом Общества. Как член ИМАО, состоял в Комиссии по сохранению древних памятников, участвовал в комиссиях по надзору за реставрацией икон в Кремлёвских соборах, Кремлёвских стен, Сухаревой башни, Церки Вознесения Господня в Коломенском, Крутицкого подворья, обмерял памятники Чернигова.
В 1907 году освидетельствовал в Курске работы по реставрации кафедрального собора Казанской Божией Матери. Являлся одним из устроителей в 1908 году XIV Археологического съезда в Чернигове и автором подготовленной для съезда «Программы исследований» .Жил в Москве на Малой Бронной улице, 2; в меблированных комнатах Рахманова на Тверском бульваре, 81; на Троицкой улице, 13.Ф. Ф. Горностаев — автор ряда статей по истории русского искусства в Трудах Московского архитектурного общества, Московского отделения императорского русского технического общества, Императорского Московского археологического общества и в Трудах Археологических съездов. Сотрудничал с издательствами «Образование» и «История русского искусства» И. Грабаря.