Fabio di Giannantonio comenzó su carrera deportiva en 2008 ganando campeonatos en Europa e Italia. En los años siguientes continuó cosechando éxitos en distintas competiciones orientadas a la iniciación. En 2014 disputó su primera temporada en la Red Bull MotoGP Rookies Cup, finalizando 8º en la general, pero en 2015 destacó definitivamente al sumar 3 victorias y otros 4 podios para llevarse el subcampeonato. 2016 fue su primera temporada en el Campeonato del Mundo de Moto3™, con el equipo Gresini Racing Moto3™, y se convirtó en una de las grandes revelaciones del año al lograr 3 podios. En 2017, 'Diggia' partía como uno de los favoritos para el triunfo, pero tuvo que conformarse con 5 podios. La victoria no llegaría hasta 2018, y además por partida doble, en Brno y Buriram, acabando la temporada como subcampeón de la categoría tras su compañero, Jorge Martín.
En 2019, el subcampeón de Moto3™ dio el salto a la clase intermedia con el Speed Up. Inmediatamente, se adaptó a la categoría y consiguió firmar un par de podios y una 'pole'. Además, se convirtió en Rookie del Año, gracias a un noveno puesto en la general. El 2020 fue más cruel con el italiano, que tan solo sumó dos podios y vio como perdía su primera victoria tras una caída en el GP de Valencia. En 2021, Di Giannantonio cambió de aires al incorporarse al Federal Oil Gresini, con la intención de luchar con los más fuertes de la parrilla. Allí acabaría de explotar al sumar en Jerez su primer triunfo en la clase intermedia y otros tres podios más. Una interesante carta de presentación para dar el salto a MotoGP™ en 2022 con el Gresini Racing.
La campaña llegaría a su punto álgido con la 'pole position' conseguida en Mugello, ya que el resto de actuaciones serían bastante discretas. En 2023, su mejor resultado antes del parón estival sería un octavo puesto, pero el italiano mejoraría su rendimiento en las últimas carreras de la temporada. Se estrenaría en el podio en Australia antes de adjudicarse su primera victoria en MotoGP™ en Qatar. Una sanción de última hora privaría a 'Diggia' de subir al podio también en Valencia, pero su increíble actuación al final de la temporada le permitiría unirse a Marco Bezzecchi en el VR46, después de haber perdido su asiento en Gresini en beneficio de Marc Márquez. En 2024 destacaría con tres Top 4, antes de verse obligado a someterse a una operación en el hombro izquierdo para solucionar una lesión que arrastraría desde el GP de Austria. El italiano se perdería las dos últimas rondas del curso, pero aun así conseguiría terminar octavo en la general. De cara a la temporada 2025, seguiría con el VR46, esta vez con una moto de fábrica, y el '49 volvería al podio por primera vez desde 2023. Además, sumaría cuatro podios a su palmarés mientras fija su objetivo en lo más alto para 2026, compitiendo una vez más con el Pertamina Enduro VR46 Racing Team.