Attore italiano di una bravura quasi sovrannaturale, riconosciuto soprattutto per la smorfia che le sue labbra prendono quando interpreta una scena di rabbia, è forse uno dei più bravi attori italiani in circolazione che ha saputo viaggiare con i suoi personaggi in una girandola di colorati generi per il piacere dello spettatore italiano.
Dopo aver studiato recitazione all'Accademia d'Arte Drammatica Silvio D'Amico, nei primi anni Settanta, ha debuttato in teatro ed in televisione, ma ha esordito nel cinema solo nel 1982 con Fuori dal giorno di Paolo Bologna, in un piccolo ruolo.

I primi ruoli dopo l'esordio
Anni più tardi, è tornato al cinema con I soliti ignoti vent'anni dopo (1987) di Amanzio Todini, accanto a due grandi del nostro cinema: Marcello Mastroianni e Vittorio Gassman (dai quali prende ispirazione), mentre l'anno successivo è stato un convincente ed intenso Enrico Fermi nel film I ragazzi di Via Panisperna del maestro Gianni Amelio, accanto ad un'altra esordiente, Laura Morante che faceva sua moglie. A cavallo fra gli anni Ottanta e Novanta, le sue interpretazioni migliori sono legate al film di Giuseppe Bertolucci I Cammelli (1988) e a quello dell'attore e regista Sergio Rubini in La stazione (1990).
I movimentati anni Novanta, lo portano sul set di miniserie televisive come I Misteri della giungla nera di Kevin Connor, che doveva rispolverare Kabir Bedi dalle ceneri di Sandokan, ma non è un successo.

L'ora dei consensi
Come invece lo sarà il film Porte aperte (1990) di Gianni Amelio, pellicola liberamente tratta dal romanzo omonimo di Sciascia, dove Fantastichino interpreta con intensità il ruolo del protagonista Tommaso Scalia, tenendo testa recitativamente parlando, ad uno dei più grandi (e dimenticati) attori italiani: Gian Maria Volontè. Il film gli valse l'European Award come scoperta dell'anno, il Premio Felix 1991, il Ciack d'oro ed il Nastro d'argento come miglior attore non protagonista.
Da quel momento in poi, il suo nome comparirà accanto a quello di registi come Giovanna Gagliardo (Caldo Soffocante, 1991), ancora Sergio Rubini (La bionda, 1992) e Paolo Virzì (Ferie d'agosto, 1996, dove grazie al ruolo di Ruggero verrà candidato al David di Donatello come miglior attore protagonista) Ma farà anche delle piccole escursioni francesi, una delle tante con il regista Claude Zidi in Arlette (1997) accanto a Josiane Balasko, Christopher Lambert e Stéphane Audran.

Dal cinema alla televisione
I grandi consensi della critica si moltiplicano, peccato che a volte Ennio Fantastichini (che può essere considerato il nostro Robert De Niro, per vigore recitativo e imponente presenza scenica) si perda un po' nella televisione, partecipando a serie tv come Un cane sciolto (1990), La Piovra (1984, 1994), Maria Josè, l'ultima regina (2001) e Il Testimone (2001). Ma anche la fiction può riservare delle sorprese, eccolo infatti nel ruolo di Joseph Bonaparte nella fiction-kolossal Napoleone, una produzione internazionale che fregiava grandi nomi come: Christian Clavier, Isabella Rossellini, John Malkovich, Gérard Depardieu e Anouk Aimée e tanti altri ancora.

Il ripiego nella fiction
Non trovando un suo spazio cinematografico (se non in piccoli ruoli come quello di Matera, un poliziotto malinconico e con un forte senso del dovere in Notturno Bus di Davide Marengo e l'omosessuale di Saturno Contro di Ferzan Ozpetek), Ennio Fantastichini si immerge nella fiction: è l'ebreo Marco Shocky in viaggio per la Palestina in La fuga degli innocenti (2004), il giudice Giovanni Falcone ucciso dalla mafia in Paolo Borsellino (2004), la vittima del razzismo Bartolomeo Vanzetti in Sacco e Vanzetti (2005) ed il medievale Raniero in La Freccia Nera (2006).

Il ritorno al grande schermo
Sancisce il suo ritorno al cinema nelle vestigia del sindaco Cassani con Fortapàsc (2008) di Marco Risi e, nello stesso anno, col film di produzione australiana Two fists, One heart (2008) di Shawn Seet. Ritrova i ruoli di primo piano con La cosa giusta (2009) di Marco Campogiani e con la serie biografica Il mostro di Firenze (2009) firmata Antonello Grimaldi e targata Fox Crime. Nel 2009 lo rivediamo accanto a Valeria Solarino e Giselda Volodi in Viola di mare di Donatella Maiorca. E dopo la partecipazione a Io, Don Giovanni (2009) di Carlos Saura, viene scelto da Ferzan Ozpetek per la commedia Mine vaganti (2010), dove interpreta un padre di famiglia in crisi, che gli fa vincere il David di Donatello e il Nastro D'Argento, entrambi nella categoria Miglior Attore Non Protagonista.
Nel 2012 è diretto dai fratelli Manetti nello sci-fi L'arrivo di Wang, un thriller che permette ancora una volta all'attore di mostrare la sua versatilità, e da Umberto Carteni nel film con Fabio Volo Studio illegale. In seguito lo troviamo tra i protagonisti di Il pasticciere di Luigi Sardiello.
Ennio Fantastichini è uno di quei rari attori che riesce sempre a centrare il personaggio, a trasformarsi e se serve mutilarsi per la buona riuscita di un ruolo.

Gli ultimi film e la morte
Nel 2013 recita nella commedia La mossa del pinguino di Claudio Amendola, seguito da Scusate se esisto! di Riccardo Milani. Nel 2015 affianca Margherita Buy e Sabrina Ferilli nel film Io e lei di Maria Sole Tognazzi e nel 2018 lo vediamo recitare nei panni del padre di Fabrizio De Andrè in Fabrizio De André - Principe libero. Il 1° dicembre 2018 muore per le complicanze di una leucemia acuta promielocitica.