Родился 4 (15) апреля 1793 в Альтоне близ Гамбурга (Германия) в многодетной семье директора классической гимназии. В 1808 покинул Германию и поступил в Дерптский (Тартуский) университет. В 1810 окончил его по специальности «филология», в 1813 защитил магистерскую диссертацию по астрономии. В том же году стал экстраординарным профессором Дерптского университета, в 1818–1820 возглавил кафедру астрономии. В 1818–1839 был директором Дерптской обсервтории, в 1839–1862 директором Пулковской обсерватории, создание и оснащение которой проходило при его деятельном участии.

Широкую известность Струве получил благодаря своим исследованиям двойных и кратных звезд, начатым в 1813. В 1827 опубликовал каталог точных положений 3110 таких звезд, двойственность свыше 2 тыс. из них была обнаружена им самим. В 1852 вышел каталог «Средние положения», в котором приведены результаты наблюдений 2874 звезд, выполненных Струве и его помощниками в период с 1822 по 1843. Оба этих каталога широко использовались впоследствии в работах по звездной астрономии.

Большое значение для развития звездной астрономии имела монография Струве Этюды звездной астрономии(1847). В ней были впервые представлены аргументы, свидетельствующие о поглощении света в межзвездном пространстве, а также показано, что плотность звезд (число в единице объема) возрастает по мере приближения к главной плоскости Млечного Пути. В Пулковской обсерватории под руководством Струве была определена система так называемых астрономических постоянных, которая оставалась общепринятой в течение 50 лет. Струве внес также большой вклад в развитие геодезии: в 1822–1827 под его руководством было проведено измерение дуги меридиана рекордной для того времени длины – свыше 25° (русско-скандинавская дуга, дуга Струве).

Струве был не только неутомимым и искусным наблюдателем, проницательным мыслителем, но и великолепным педагогом и организатором. Он оборудовал Пулковскую обсерваторию первоклассными инструментами. Под его руководством в Пулковской обсерватории были разработаны высокоточные методы определения координат звезд. Основанная Струве школа астрометрии выдвинула Пулковскую обсерваторию на одно из первых мест в мире.

Струве все успевал: он заботился о комплектовании библиотеки (включая старинные и редкие издания) и сам же составил ее каталог; принимал участие в экспедициях и руководил ими; был активным членом Русского географического общества; выступал с сообщениями на заседаниях Академии наук и читал публичные лекции; руководил обучением в Дерптской и Пулковской обсерваториях офицеров русского флота и Генерального штаба, гидрографов Морского министерства.

Струве, российский подданный с 1842, был кавалером многих российских и иностранных орденов, лауреатом многочисленных почетных наград и премий, почетным членом всех русских университетов, большого числа зарубежных академий и научных обществ.

Умер Струве в Пулково 11 (23) ноября 1864.