Revelado pelo São Paulo em 2003, o lateral permaneceu no clube durante 4 anos. Ocupando a reserva a maior parte do tempo, atuou em poucos jogos e em 2006 resolveu deixar o clube para ter mais oportunidades. Foi emprestado para Kashima Antlers e Cruzeiro, onde também não conseguiu muito espaço.

De volta ao São Paulo foi negociado com o Mônaco, da França, por mais de 12 milhões de reais. Não se firmou no futebol francês e teve uma rápida passagem pelo Santos antes de ficar sem contrato e assinar de graça com o Grêmio.

No clube Gaucho, após um inicio conturbado encontrou seu bom futebol. Tornou- se titular absoluto e terminou o Campeonato Brasileiro de 2010 em alta. No entanto, com o contrato próximo do fim não aceitou a proposta de renovação e se transferiu sem custos para o Timão.

Chegou ao Corinthians para ser reserva do Roberto Carlos, no entanto com as atuações irregulares e lesões do pentacampeão foi conquistando seu espaço. Quando o ex-jogador da seleção rescindiu seu contrato para se transferir para o Anzhi da Russia, Fabio Santos assumiu a titularidade da equipe.

Aos poucos, com boas atuações se consolidou na equipe do Corinthians. Jogando com a camisa do Timão a quatro temporadas, o Fábio Santos conquistou o Paulista Brasileirão, Libertadores, Mundial e Recopa. Atualmente, defende as cores do Atlético-MG.