В 1443 году умер Гвидантонио и к власти пришёл Оддантонио. В Италии шла очередная междоусобная война: папа Евгений IV воевал с Франческо Сфорца. Чтобы привлечь Оддантонио на свою сторону, папа сделал его герцогом, и Урбино получил статус герцогства. В 1444 году, то есть через год, в Урбино произошёл переворот. Вооружённые жители установили контроль над городом. Оддантонио был убит в своём дворце. Федерико с войском поспешил в Урбино, где нашёл городские ворота запертыми. После переговоров и посредничества местного епископа Федерико въехал в город, и жители приветствовали его как своего правителя. Городские власти заключили с ним соглашение: Федерико прощал заговорщиков, давал слово уважать муниципальную власть, и обещал снизить налоги. В 1444 году Федерико исполнился двадцать один год. Некоторые хроники того времени обвиняли Федерико в организации переворота и в смерти Оддантонио. Признание законности своей власти и герцогский титул надолго стали мечтой Федерико.
В 40-е годы Федерико состоял на службе у герцога Милана Филиппо Мария Висконти. Его брат Оттавиано в это время находился при дворе Висконти в Милане, и Висконти его не отпускал. Оттавиано был своего рода гарантией, что Федерико будет верно служить своему хозяину. Оттавиано смог покинуть Милан только после смерти Висконти в 1447 году. Вернувшись в Урбино, он возглавил управление текущими делами герцогства.
В 1456 году у Федерико умерла первая жена Джентиле. Детей у неё не было. В 1454 году Федерико получил у папы Николая V разрешение на признание двух своих незаконнорожденных сыновей Буонконте и Антонио. Федерико женился вторично. Его женой стала юная Баттиста Сфорца. К моменту замужества ей было тринадцать лет. Она родила восемь дочерей и, наконец, в январе 1472 года родила долгожданного сына. Баттиста Сфорца умерла, когда ей было всего 25 лет, через несколько месяцев после рождения Гвидобальдо.
Федерико Монтефельтро называют последним великим кондотьером. Кондотьеры – это наёмники, зарабатывавшие деньги военным искусством. Военная слава Федерико была так велика, что ему платили даже за то, чтобы он не воевал. Федерико никогда не вступал ни в какие альянсы, предпочитая действовать самостоятельно. Он хорошо разбирался в политике и прекрасно владел современными ему методами ведения войны. Он считался одним из лучших специалистов по военным укреплениям и использованию пушек.
Победу, принесшую Федерико мировую известность, он одержал при осаде города Вольтерра в 1472 году. На тот момент Федерико воевал по найму у правителя Флоренции Лоренцо Медичи. Победа была неоднозначной, как и характер выдающегося кондотьера.
Начиная с 1361 года, Вольтерра входила во владения Флоренции. Из-за отдалённости от Флоренции и свободолюбивого духа своих граждан Вольтерра в большой степени управлялась независимо. В 1470 году недалеко от города открыли залежи квасцов. Этот минерал использовали в красильном производстве тканей, и он являлся чрезвычайно важным сырьём. Лоренцо Медичи не собирался оставлять источник обогащения в руках местных компаний. Протест жителей Вольтерра закончился мятежом. Власти Флоренции наняли Федерико усмирить непокорных граждан. В кратчайший срок Федерико собрал огромное войско: 10 000 пехотинцев и 2000 всадников. Вольтерру защищали приблизительно 1500 различных наёмников и сами жители. Началась осада города. Силы были явно неравные. Предложение о сдачи города на определённых условиях флорентинцы отвергли, они настаивали на безоговорочной капитуляции. Федерико не хотел полномасштабной атаки на город и пообещал сохранить жизни и имущество граждан. Войска впустили в город. Однако войска вышли из-под контроля и беспощадно разграбили город. К грабителям присоединились наёмники, защищавшие Вольтерру и часть беднейшего населения города. Позднее Федерико заявил, что он не мог остановить своих солдат.
Взятие города Вольтерра широко обсуждалось современниками. Пострадали ли репутации Федерико и Лоренцо? Скорее нет, хотя раздавались и осуждающие голоса.