Donders studeerde militaire geneeskunde in Utrecht waarna hij enige jaren werkte als officier van gezondheid. In zijn studententijd had Donders tijdens Schroeders colleges een grote interesse voor de fysiologie ontwikkeld. Pas na het overlijden van Schroeder in 1862 zou hij aangesteld worden als gewoon hoogleraar in de fysiologie. Donders legde zich geleidelijk toe op de oftalmologie. Het natuurkundige karakter van de optica sloot goed aan bij Donders’ interesse en bovendien waren er nog geen oogklinieken in Nederland, terwijl daar grote vraag naar was.
In 1851 begon Donders een levenslange samenwerking met de Duitse oftalmoloog Albrecht von Graefe. Tegelijk ontwikkelde de natuurkundige Hermann von Helmoltz (1821-1894) de eerste oogspiegel waarmee artsen het netvlies konden inspecteren. Als eerste arts in Nederland begon Donders met de toepassing ervan in zijn praktijk. De vraag naar oogheelkundige zorg bleek zo groot dat er in 1858 genoeg geld was ingezameld om een nationaal Ooglijdersgasthuis in Utrecht te stichten.