Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Den 33-årige schweizaren meddelade att han var "inte match-fit" som han bad personligen till publiken på O2 Arena.
Federer slog Stan Wawrinka 4-6 7-5 7-6 (8-6) på lördag i en spännande semifinal som varar i två timmar och 48 minuter.
Det är Djokovic fjärde seger vid säsongens slut händelse och han blir också den första mannen att vinna tre titlar på traven sedan Ivan Lendl på 1980-talet.
Federer - som har vunnit turneringen sex gånger - bekräftade sitt uttag efter dubbelfinalen på söndag eftermiddag, vann av amerikanska bröder Bob och Mike Bryan.
"Jag är ledsen att jag inte är lämplig att spela", sade han. "Jag hoppas att du förstår. Jag ville komma ut personligen och förklara.
"Jag gjorde allt jag kunde. Jag tog smärtstillande, hade vila ända till slutet, men jag kan inte konkurrera på den här nivån med Novak.
"Vid min ålder hade det varit en risk.
"Det är ingen överraskning. Den här ryggspasmen, vad det än kan vara, är det inte kul att ha på dagen. Det är bara obekvämt. Men jag är positiv och jag hoppas att det kommer att försvinna snart."
Turneringsarrangörerna ordnade två utställningsmatcher för att ta plats i finalen.
Djokovic besegrade Andy Murray 8-5 i en proffsuppsättning i den första matchen och den brittiska nummer ett sedan parade upp med John McEnroe för att slå Tim Henman och Pat Cash 8-6 i en dubbeltävling.
Djokovic, 27, som avslutade året med bara åtta nederlag från 66 matcher, samlade ATP World Tour Finals trofé innan hans utställning med Briton.
"Det är uppenbarligen inte som jag ville", sade han. "Det är en otrolig prestation, men just nu är det svårt att prata om det. Jag är inte en av de spelare som firar denna typ av seger.
"Jag måste reflektera över hela säsongen och denna trofé är kronan för ansträngningarna i år. Jag är väldigt glad att kunna stå här och avsluta med en trofé."
Federer är planerad att gå med Schweiz lagkamrat Wawrinka för Davis Cup finalen mot Frankrike nästa vecka och sade att hans omedelbara plan var för "återvinning" och sedan "resa till Frankrike och göra sig redo för leran".
Han led av ett ryggproblem 2013, och det fanns tecken i de avslutande stunderna mot Wawrinka på att han kämpade igen.
Federer fullföljde inte sina post-match medieuppgifter förrän efter 01:00 GMT på söndag, och missade sin schemalagda övning på O2 Arena på eftermiddagen.
Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Roger Federer har dragit sig tillbaka från ATP World Tour final mot Novak Djokovic på grund av en ryggskada.