Parte in quarta come giocatore di baseball: gioca in serie A1 con Santarcangelo e Rimini, le squadre delle sue origini romagnole, terra di comici a effetto. Ma il terreno di gioco gli sta stretto, Fabio sogna di calcare un terreno diverso chiamato palcoscenico.

Alla corte della Gialappa's Band
Passa con disinvoltura dalla televisione al cinema, anche se è con la televisione che si forma e che conosce la fama: all'inizio è alla corte dello staff di Zelig, ed è proprio qui che i ragazzacci della Gialappa's Band lo notano e decidono di farlo entrare nella famiglia televisiva di Mai dire.... Il successo arriva con uno di questi, Mai dire Grande Fratello 2, in cui opera insieme a Paola Cortellesi e al Mago Forest.
La comicità è di quelle fisiche e intellettuali al contempo, ma umile, dimessa, come quella tipica di altri colleghi romagnoli: i suoi personaggi più famosi sono il cantante sdolcinato Olmo, il modello Fabius dall'alito "pericoloso", il presentatore perfettino Cologno, il pagliaccio Baraldi che tenta sempre di strappare una risata nonostante una salute a dir poco precaria.
Altre sue figure di spicco: il 'supereroe della mediocrità' Medioman, l'ingegner Cane, ovvero l'ipotetico ideatore del ponte sullo stretto di Messina, il finto inviato de Le Iene e di Striscia la notizia Bum Bum Piccozza, l'imitazione di Patrick, un vero concorrente del "Grande Fratello". Infine, e forse su tutti, l'anacronistico nobilotto Luigio Guastardo della Radica, che offre a De Luigi il pretesto per una acuta e spassosa satira social-borghese.
Lascia i programmi comici e si dedica poi alla sit-com. Nel 2005 è il protagonista di Love Bugs, serie sui problemi di coppia diretta dal pratese Marco Limberti e interpretata accanto a Michelle Hunziker. La seconda stagione della serie cambia partner ed è protagonista insieme a Elisabetta Canalis. Nello stesso periodo, su Raiuno conduce insieme a Gianfranco Funari Apocalypse Show.

De Luigi, da ballerino ad attore da cinepanettone
Ma la voglia di cinema comincia ad essere insopportabile e, dopo aver fatto parte del cast di Asini e di Se fossi in te con ruoli minori, nel 2001 il cinema lo reclama protagonista e De Luigi risponde, accettando la sfida. L'esordio lo vede subito protagonista assoluto in Un Aldo qualunque, opera prima di Dario Migliardi che non convince nella sceneggiatura, ma dimostra come Fabio sia a suo agio davanti alla macchina da presa. Il secondo tentativo si chiama Quasi quasi, una commedia firmata da Gianluca Fumagalli, dove ritrova Marina Massironi e Neri Marcorè, due attori che di comicità ne sanno qualcosa. Nel 2004 lo ritroviamo persino ballerino in Ogni volta che te ne vai di Davide Cocchi, alle prese col liscio e con l'amore, prima di diventare un timido cameraman al seguito di una star televisiva col volto di Antonio Albanese in E' già ieri, remake di Groundhog Day (Ricomincio da capo in Italia), diretto da Giulio Manfredonia. Dal 2006 prende vita il sodalizio con Neri Parenti che vuole il camaleontico Fabio nei suoi cinepanettoni, da Natale a New York, passando per Natale in crociera, per finire con Natale a Rio.

Anche Salvatores e Avati, Fabio nel cinema d'autore
Nel mezzo c'è un ruolo più adulto e addirittura metadiscorsivo, in Commediasexi di Alessandro D'Alatri, dove interpreta se stesso. Ma una partecipazione ancora più importante sarà quella in Come dio comanda, la nuova favola nera di Salvatores dopo Io non ho paura, dimostrazione che De Luigi può andare ben oltre i ruoli comici delle origini televisive, adattantosi con grande naturalezza anche nelle pellicole drammatiche. La scelta di giocare anche col cinema d'autore prosegue con Gli amici del Bar Margherita, film corale nel quale divide la scena con attori come Diego Abatantuono, Luigi Lo Cascio e Neri Marcorè, e nella pellicola di Pupi Avati che definisce poeticamente gli anni Cinquanta. Decide di ritornare ad un ruolo più "leggero" con Ex, pellicola applauditissima di Fausto Brizzi che, riunendo in un'unica commedia i principali nomi del cinema italiano, gioca con il sentimento per eccellenza, senza eccessivi sentimentalismi. Nel 2010 torna a lavorare con Salvatores, nella commedia corale Happy family, in cui è il protagonista sceneggiatore Ezio, catapultato nel girotondo della grande famiglia del titolo da un banale incidente. Oltre a De Luigi Salvatores ha voluto alcuni tra i più bravi attori nostrani: sono presenti infatti Diego Abatantuono, Fabrizio Bentivoglio, Margherita Buy.
Dopo la buona interpretazione in Ex, Fausto Brizzi lo richiama con sé nel cast di Maschi contro femmine, dove è Walter, allenatore di una squadra di pallavolo femminile ma soprattutto marito di Monica (Lucia Ocone), che presto lo renderà padre per la prima volta. I due sono in crisi ma Walter vuole resistere alla tentazione di un avventura, nonostante i suoi amici facciano di tutto per incoraggiarlo a sfogare gli istinti in un'avventura disimpegnata. Pochi mesi più tardi lo vediamo comparire anche nel secondo capitolo del dittico di Brizzi, Femmine contro Maschi (2011). Nello stesso anno è sul grande schermo, accanto a Cristiana Capotondi, in La peggior settimana della mia vita. Il 2012 continua sull'onda della commedia: l'attore è protagonista, insieme a Claudia Gerini e Filippo Timi, del comico-sentimentale Com'è bello far l'amore, nel quale viene ancora una volta diretto da Fausto Brizzi, che del film è anche sceneggiatore. Nel 2012 torna a essere diretto da Alessandro Genovesi nel seguito Il peggior Natale della mia vita e l'anno successivo è protagonista del remake diretto da Massimo Venier Aspirante vedovo. Un altro ruolo da protagonista arriva con la commedia di Veronesi Una donna per amica (2014), in cui si innamorerà della sua migliore amica (Laetitia Casta). Nel 2016 debutta alla regia con la commedia Tiramisù, di cui è anche il protagonista al fianco di Vittoria Puccini, Alberto Farina e Angelo Duro e gira il secondo film di Edoardo Falcone Questione di karma, in cui recita al fianco di Elio Germano. Nel 2018 sarà un irreprensibile maresciallo della Guardia di Finanza che si innamora della donna sbagliata (Miriam Leone) in Metti la nonna in freezer.
Dopo aver partecipato al cast del film Gli uomini d'oro, è diretto da Alessandro Genovesi in 10 giorni senza mamma (2019) e 10 giorni con Babbo Natale (2020). Nel 2021 è invece nel film di Paola Randi La befana vien di notte 2 e a inizio 2023 esce il film di cui è protagonista e regista Tre di troppo.
Fabio De Luigi è un attore puro che ha saputo vincere la scommessa cinematografica, mostrandoci la sua arte in ogni sfaccettatura, evitando di restare intrappolato nel suo alter ego televisivo, perché capace di capire che cinema e televisione hanno codici espressivi differenti. Continua così, Fabio!