Sus victorias contra ingleses, holandeses, franceses y musulmanes le convirtieron en el mayor almirante de España y Portugal en su época, al que se dedicaron obras de teatro y poesías. Sin embargo, su fama y fuerte carácter le granjearon la enemistad del Conde-Duque de Olivares, lo que significó su caída en desgracia.
Comenzó sirviendo en galeras bajo el mandato de su padre y ascendió rápidamente igual que su hermano, García Álvarez de Toledo Osorio, en la carrera militar.
En la batalla de Gibraltar de 1621, derrotó a la armada de las Provincias Unidas de los Países Bajos, y en la batalla del Canal de la Mancha en 1623, venció nuevamente a la flota neerlandesa e impidió que cruzara el canal estableciendo un bloqueo sobre sus costas. Poco después derrotó una armada bereber en el estrecho de Gibraltar.
Debido a la unión dinástica aeque principaliter bajo la casa de Habsburgo fue general del Reino de Portugal y capitán general de la Armada del Brasil. En 1625, con una flota de 26 navíos, con 450 cañones y 3500 soldados de desembarco, fue enviado a recuperar la ciudad de Salvador de Bahía, ocupada por las fuerzas holandesas de los Países Bajos. Con una operación por tierra y por mar rindió la ciudad de Bahía y capturó a miles de holandeses. Siguió con las operaciones militares desalojando a holandeses e ingleses de otros puntos de Brasil.
El aumento de su poder le hizo chocar directamente con el autoritarismo y las políticas en materia de relaciones exteriores del conde-duque de Olivares, quien para alejarle de la corte, le quiso enviar a América a recuperar la plaza de Pernambuco y el resto de plazas brasileñas ocupadas en 1630 por una inmensa armada neerlandesa que traía hasta 7000 hombres de desembarco. Fadrique no aceptó la misión por su estado de salud y por la disposición y el estado de la flota, por lo que se le formó un proceso de desobediencia. Este consejo de guerra lo apartó, humilló y condenó a una vida de penurias y descrédito. Cayó prácticamente en la miseria por no cumplir la misión que Olivares le exigió.
Poco después su memoria fue parcialmente rehabilitada. Sus hazañas navales y militares fueron motivo bastante para que el rey de EspañaFelipe IV le concediera el título de marqués de Villanueva de Valdueza, el 17 de enero de 1634. Sin embargo, Fadrique murió al poco tiempo, en Madrid, el 11 de diciembre de 1634.
La caída del conde duque de Olivares en 1643 acrecentó su fama póstuma como uno de los más valientes y destacados capitanes generales que tuvo la armada española.
Al bastón que le vistes en la mano con aspecto Real y floreciente, obedeció pacífico el Tridente del verde Emperador del Oceano
Fallecido Fadrique, en 1634, su esposa la marquesa viuda de Villanueva de Valdueza, fue una de las figuras más importantes de la corte de Mariana de Austria ya que tuvo el cargo de camarera mayor, el 8 de enero de 1654, cinco años después de la llegada a la Corte de Mariana de Austria, a la que sirvió durante toda su época como reina consorte de España, desde 1649 hasta 1665 como segunda esposa del rey Felipe IV y regente, desde 1665 hasta 1675 como madre del rey Carlos II y reina madre.
Fadrique Álvarez de Toledo y Osorio tuvo dos hijos ilegítimos: