Federico era el primogénito del duque Juan Adolfo de Holstein-Gottorp (1575-1616) y la princesa Augusta de Dinamarca (1580-1639), hija del rey Federico II de Dinamarca.

El duque Federico tenía ambiciosos planes relativos al desarrollo del comercio marítimo encaminados a establecer a su ducado como una potencia económica . Con este propósito en 1621 estableció Friedrichstadt en amistad con la ciudad de Glückstadt, establecida en 1617 por Cristián IV de Dinamarca. También intentó establecer rutas comerciales con Rusia y Persia. Con este fin el 6 de noviembre de 1633 envió una expedición desde Hamburgo a Moscú bajo la dirección del agente comercial Otto Brüggemann, el representante ducal Philipp Crusiuse y con Adam Olearius como secretario. El 14 de agosto de 1634 la delegación llega a Moscú. Aunque esta delegación no llega a ningún acuerdo con el zar Miguel I de Rusia, apenas regresa a Gottorp el 6 de abril de 1635, Federico comienza los preparativos para la próxima expedición.

La segunda expedición parte el 22 de octubre de 1635 de Hamburgo hacia Isfahán en el golfo Pérsico, la dirección de esta empresa es confiada nuevamente a Otto Brüggemann con su secretario Adam Olearius, además van con ellos: Johann Albrecht Mandeslo, Hans Christian Christophe von Uechtritz y Paul Flemming. Luego de un naufragio en el mar Caspio llegan a Isfahán el 3 de agosto de 1637.

A causa de la actitud autoritaria de los miembros de la expedición, esta fue un total fiasco. La responsabilidad es cargada sobre un único hombre, Otto Brüggemann, quien fue condenado a muerte y ejecutado públicamente el 5 de mayo de 1640.

Durante la Guerra de los treinta años (1618 a 1648) Federico III trató de aplicar una política de neutralidad rehusando adherirse a Dinamarca e inclinándose más hacia Suecia, esto se hizo notar claramente al casar a su hija Eduviges Leonor (1636-1715) en 1654 con el rey Carlos X Gustavo de Suecia. Pero al declinar el poder sueco esta política pro-Suecia conduce inexorablemente al debilitamiento de la Casa de Holstein-Gottorp.

Mejor suerte tuvo el duque como patrono de las artes y la cultura; el 3 de septiembre de 1642 fundó junto al duque Luis de Anhalt-Köthen (1579-1650) la Societas fructifera, una sociedad literaria alemana. Además contribuyó a la creación del teatro el Globo de Gottorp. El pintor Jürgen Ovens trabajó más de 30 años para él y para su hijo y sucesor Cristián Alberto de Holstein-Gottorp.

El 21 de febrero de 1630 en Dresde contrajo matrimonio con la princesa María Isabel de Sajonia (1610-1684), hija del elector Juan Jorge I de Sajonia y Magdalena Sibila de Prusia. La pareja tuvo numerosos hijos:

• Sofía Augusta (1630-1680), casada en 1649 con Juan VI de Anhalt-Zerbst.
• Magdalena Sibila (1631-1719), casada en 1654 con Gustavo Adolfo de Mecklemburgo-Güstrow.
• Juan Adolfo, murió joven en 1633.
• María Isabel (1634-1665), casada en 1650 con Luis VI de Hesse-Darmstadt (1630-1678).
• Federico (1635-1654).
• Eduviges Leonor (1636-1715), casada en 1654 con el rey Carlos X Gustavo de Suecia.
• Adolfo Augusto, murió joven en 1637.
• Juan Jorge de Holstein-Gottorp ( 1638)
• Ana Dorotea (1640-1713).
• Cristián Alberto (1641-1695), casado en 1667 con Federica Amalia de Dinamarca hija de Federico III de Dinamarca.
• Gustavo Ulrico, murió joven en 1642.
• Cristina Sabina, murió joven en 1644.
• Augusto Federico (1646-1705), casado en 1676 con Cristina de Sajonia-Weissenfels (1656-1698), hija del duque Augusto de Sajonia.
• Adolfo, murió joven en 1647.
• Elisabeth Sofie, murió joven en 1647.
• Augusta María (1649-1728), casada en 1670 con Federico VII de Baden-Durlach.

Federico III de Holstein-Gottorp pertenece al primer brazo de la Casa de Oldenburgo-Gottorp que provenía de la primera rama de la Casa de Oldenburgo. Esta línea daría zares a Rusia y reyes a Suecia; por eso él es ancestro del actual jefe de la Casa imperial de Rusia, el gran duque Nicolás Románovich Románov y del príncipe Antonio Gunter de Oldenburgo.

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