Fabio Di Giannantonio wurde im Jahr 2009 Europameister in der Klasse Minimoto junior. 2010 gewann er die Trofeo Honda HIRP 100 cm³, 2012 wurde er Italienischer Meister in der Kategorie 250 cm³ PreGP. In den Jahren 2014 und 2015 startete Di Giannantonio im Red Bull MotoGP Rookies Cup. 2015 wurde er dort Vizemeister hinter Bo Bendsneyder und sicherte sich außerdem mit zwei Siegen hinter Marco Bezzecchi den zweiten Rang in der Moto3-Kategorie der Italienischen Meisterschaft.
2019 stieg Di Giannantonio in die Moto2-Klasse auf. Er fährt für Speed Up Racing an der Seite von Jorge Navarro. Er fuhr bei den Großen Preisen von Tschechien und San Marino auf den zweiten Platz. Di Giannantonio schloss die Saison als WM-Neunter ab.
Nach dem dritten Platz des Römers beim Großen Preis von Katalonien wurde bekannt, dass er 2021 zu Gresini zurückkehren und für dessen Moto2-Team fahren wird. Das Ziel soll der Aufstieg in die MotoGP 2022 sein.