La carriera del comico di Santarcangelo di Romagna inizia nel 1990 con la partecipazione al concorso la "Zanzara d'Oro". Da quel momento De Luigi calca vari palcoscenici teatrali in diversi spettacoli in giro per l'Italia: "Il fosforo fa bene alla memoria" (il suo primo spettacolo approdato allo Zelig di Milano nel 1991), "Un titolo comico" (1992), "Non capisco come sia successo", "La vera storia di Fabio" (regia di Fabio Biondi, 1995) e insieme a C'é Quel Che C'é band e Anatoli Balasz nello spettacolo "Tafano Show", diretto da Antonio Catania nel 1996.

E' ospite di numerose trasmissioni televisive tra cui "Acqua Calda" condotta da Giorgio Faletti e Nino Frassica, "La più bella sei tu" con Luciano Rispoli, "Teleratto", l'evento organizzato da Videomusic e dalla rivista Comix, "Ho i miei buoni motivi" su Rai Due, "Facciamo Cabaret". Ma è con "Mai dire Gol", il programma della Gialappa's in onda su Italia 1, che porta al successo il suo personaggio più famoso, Olmo, il cantante confidenziale new melodico per eccellenza: "Fiore bugiardo" e "C'è simpatia" diventano due canzoni cult.

Per qualche tempo è anche ospite fisso in radio: "Il programma lo fate voi" condotto da Enrico Vaime e Monica Nannini, per due stagioni nel 1997 e nel 1998 (Radio Rai Due) e, nel 1998, "Buono Domenico" condotta da Dose e Presta (Rai Radio Due).

Dopo "Matrimoni" di Cristina Comencini, Fabio De Luigi appare come co-protagonista accanto a Claudio Bisio nel film "Asini" di Antonello Grimaldi, in "Tutti gli uomini del deficiente" della Gialappa's e nell'adattamento cinematografico di Guido Chiesa del romanzo capolavoro della letteratura italiana del novecento di Beppe Fenoglio, "Il partigiano Johnny".

Ha condotto con Manuela Arcuri un'edizione speciale di "Mai dire gol", mentre a teatro nel 2002 era nel cast di "Irma la dolce" di Alexandre Breffort, regia di Jarome Savary.

Al cinema nel 2004 ha partecipato a "Ogni volta che te ne vai" regia di Davide Cocchi e a "E' già ieri" regia di Giulio Manfredonia.

Da gennaio 2005 è protagonista su Italia 1 con Michelle Hunziker della sit-com "Love Bugs".