Fabio Di Giannantonio commence la compétition en mini-moto et s’offre les titres de Champion d’Italie et d’Europe en 2008, puis récidive un an plus tard. Le Romain brille ensuite à plusieurs reprises en Italie dans le cadre du PreGP et se classe neuvième du Championnat d’Europe Moto3 en 2013. Dès lors, ce dernier rejoint la Red Bull MotoGP Rookies Cup. Lequel signe deux victoires et quatre seconde places lors de sa deuxième tentative ; résultats qui lui permettent ainsi de terminer dauphin de Bo Bendsneyder. Engagé par Gresini pour disputer le GP de Valence, le transalpin intègre finalement ce team à temps complet dès 2016. Il achèvera l’année en sixième position, avec trois podiums au compteur. En 2017, le transalpin fait cinq autres apparitions parmi les trois premiers, mais accuse également quatre abandons. Crédité du cinquième rang au général, il est reconduit une troisième fois et les efforts finissent par payer puisqu’en plus de quatre Tops 3 viennent s’ajouter deux succès.

Le vice-Champion Moto3™ fait ainsi le saut en catégorie intermédiaire en compagnie de Speed Up. Immédiatement à l’aise, il se classe deuxième à deux reprises, empoche une pole et finit meilleur rookie avec sa neuvième place. Mais en 2020, il ne se montrera pas tout aussi régulier et rétrogradera dans la hiérarchie. C’est une fois avoir retrouvé le clan Gresini qu’il rebondira, avec quatre podiums dont ce fameux triomphe de Jerez. Septième de cette édition 2021, il passe dans la foulée en MotoGP™, accompagné de la même structure. Hormis une pole au Mugello, ses débuts ne seront pas évidents. Fort de son expérience, il a néanmoins une grosse marge de progression et il va le prouver en 2023. Après un début de saison anonyme avec des abandons et quelques points empochés, l'Italien va se métamorphoser à l'annonce de son remplacement chez Gresini par Marc Márquez. D'abord quatrième en Indonésie, le Romain monte sur son premier podium la semaine suivante à Phillip Island. Enfin, il triomphe au Grand Prix du Qatar et commence à attirer de grosses écuries alors qu'il semblait sur la touche quelques semaines plus tôt. La veille du Test post-saison de Valence, Fabio Di Giannantonio sera finalement officialisé chez Pertamina Enduro VR46 Racing Team, où il partagera le box avec Marco Bezzecchi. Là-bas, il s'illustre avec notamment trois top 4. Blessé à l'épaule depuis le GP d'Autriche, il se fera opérer en fin de saison et manquera les deux derniers GP mais il décroche tout de même une honorable huitième place au Championnat. En 2025, il évolue toujours chez VR46 mais enfourche désormais une moto d'usine. Trop irrégulier sur la GP25, il signe tout de même trois podiums et se classe sixième du général, soit son meilleur résultat dans l'élite.