Nach dem Tod seines Vaters erbte Friedrich Wilhelm gemeinsam mit seinen Brüdern Johann Philipp, Friedrich und Johann Wilhelm das Herzogtum Sachsen-Altenburg. Die Vormundschaft über die Prinzen führten der Kurfürst von Sachsen und deren Onkel Johann, nach dessen Tod 1605 der Kurfürst von Sachsen allein. Nach dem Jülich-Klevischen Erbfolgestreit waren die Brüder mit Jülich, Kleve und Berg belehnt worden, waren jedoch lediglich nominell Herzöge und führten das Wappen. 1612 gingen die Brüder zur weiteren Ausbildung an die Universität Leipzig. Im Jahr 1618 wurde der älteste Bruder Johann Philipp mündig und regierte selbständig. Die Brüder überließen dem Ältesten gegen die Zusicherung eines Leibgedinges zunächst zeitlich begrenzt, in einem späteren Vertrag 1624 schließlich dauernd die Regierung. Friedrich Wilhelm unternahm gemeinsam mit seinem Bruder Johann Wilhelm seine Kavaliersreise nach Italien, England, Holland, Frankreich und Ungarn.
Unter seinem Bruder Johann Wilhelm diente er auch ab 1631 in kursächsischen Diensten und nahm an der Schlacht von Leipzig teil. Zwei Jahre später wurde er Oberst und unter Hans Georg von Arnim-Boitzenburg General der Reiterei und in dessen Abwesenheit Oberbefehlshaber der kursächsischen Truppen.
Im Jahr 1639 waren alle drei älteren Brüder Friedrich Wilhelms verstorben. Er trat aus dem Militärdienst aus und wurde souveräner Herzog von Sachsen-Altenburg. Im Anschluss an den Dreißigjährigen Krieg lag das Land vollkommen darnieder. Friedrich Wilhelm konzentrierte sich auf eine auf das Allgemeinwohl gerichtete Politik. Er erließ verschiedenste Ordnungen, investierte in Kirchen- und Schulwesen und brachte den Bergbau in Saalfeld wieder zum Laufen.
Friedrich Wilhelm II. ließ 1664 in Hummelshain ein Jagdschloss errichten. Ein Jahr später errichtete er seiner zweiten Gemahlin in Altenburg mit dem Magdalenenstift einen würdigen Witwensitz.