Né en France d'un père d'origine russe, Féodor Atkine passe son enfance en Amérique latine avant de revenir dans l'Hexagone et de prendre des courts d'art dramatique chez Jean-Laurent Cochet. Danseur, mime et comédien, il sillonne les théâtres du monde entier avant de faire sa première apparition au cinéma dans La Route de Jean-Francois Bizot en 1972.

Sa carrière prend une ampleur internationale dès les années 70, durant lesquelles il enchaîne les tournages américains avec Woody Allen (Guerre et amour, 1974) ou Sydney Pollack (Bobby Deerfield, 1977), italiens avec Gillo Pontecorvo (Opération Ogre, 1979), et espagnols avec José Juan Bigas Luna (Lola, 1985) ou Carlos Saura (El Dorado, 1987). Feodor Atkine est parallèlement engagé dans des films d'auteur, particulièrement avec Eric Rohmer (Le Beau Mariage, 1981 ; Pauline a la plage, 1982), mais également dans des comédies populaires (Les Sous-doués de Claude Zidi, 1980) et des polars (La Guerre des polices de Robin Davis, 1979 ; Trois hommes à abattre de Jacques Deray, 1980), montrant à quel point le comédien fait preuve d'une grande diversité dans ses choix.

Son éclectisme ne se dément pas par la suite, l'acteur multipliant les collaborations avec Andrzej Zulawski (La Note bleue, 1990), Jean-Pierre Mocky (Ville à vendre, 1991), Raoul Ruiz (Trois vies et une seule mort, 1995, Ce jour-là, 2002), Pedro Almodovar (Talons aiguilles, 1991), la plupart du temps pour des seconds rôles. C'est encore le cas dans les productions américaines Ronin (1998) et Vatel (1999), Féodor Atkine apparaissant même brièvement en père de Roxane dans l'Alexandre d'Oliver Stone (2005). Le début des années 2000 le voit mettre à profit ses qualités vocales, puisqu'il prête son timbre grave au dieu Horus d'Immortel (ad vitam) (2002), à des personnages de films d'animation (La Légende du Cid, Les 3 rois mages, 2003), ainsi qu'à une marionnette du Fil de la vie (2004) et à un personnage dans la version française de l'oscarisé Rango (2011).

Très actif à la télévision ces dernières années, on peut le voir dans de nombreux téléfilms comme Louis XV, le soleil noir (2009), Le Coeur du sujet (id.), 1, 2, 3 Voleurs, Le Tombeau d'Hélios (2011) ou encore Toussaint Louverture (2012). Cette même année 2012, il revient en force au cinéma, toujours par le biais de seconds rôles marquants, avec quatre productions bien différentes les unes des autres (tant d'un point de vue thématique que technique), à savoir le drame La Mémoire dans la chair, le thriller urbain Aux yeux de tous, la comédie Populaire, et enfin le film d'horreur World War Z, dans lequel il donne la réplique à un certain Brad Pitt...