Dopo il diploma Fabio Troiano entra a far parte della compagnia giovani del Teatro Stabile di Torino, sua città natale, prendendo parte a spettacoli con Giancarlo Cobelli, Marco Plini e Dominique Pitoiset. In quindici anni, porta sul palco importanti spettacoli come "Recital su Alfieri", "La Didone abbandonata", "La potenza delle tenebre", "La visita dell'uomo grigio", tutti con la regia di M. Avogadro. Nel 2002 debutta inoltre alla regia con lo spettacolo teatrale "Le serve" interpretato da A. Adriano e G. Lo Console. Nel 2001 fa la prima esperienza in televisione, nel programma per bambini "Melevisione" nei panni del genio Abù Zazà. Ma è il cinema a regalargli la popolarità. Comincia nel 2004 nel cast di "Andata e Ritorno - A/R", con la regia di Marco Ponti, per proseguire con Davide Ferrario nei film "Se devo essere sincera", "Tutta colpa di Giuda" e "Dopo mezzanotte" per il quale riceve la nomination per il David di Donatello come migliore attore non protagonista. Sempre nel 2004 vince il Premio per il teatro Salvo Randone come miglior attore. L'anno successivo è protagonista del film "Il giorno + bello", diretto da Massimo Cappelli, in cui recita al fianco di Violante Placido. A questo seguiranno lavori con registi come Silvio Soldini e Luca Lucini. Al grande schermo alterna serie televisive di successo come "Le stagioni del cuore", la quarta e quinta stagione di "R.I.S. - Delitti imperfetti", le prime tre di "R.I.S. Roma", dove sarà per tutti Ghiro, fino alle più recenti "Benvenuti a tavola" e "Squadra Antimafia". Nel 2009 è tra i doppiatori del film di animazione in 3D "G-Force - Superspie in missione" della Disney dando voce alla talpa Speckles. Nello stesso anno è tra i protagonisti del film di Checco Zalone "Cado dalle nubi". Nel 2011 viene chiamato dal regista messinese Massimo Romeo Piparo per il ruolo di protagonista nella commedia musicale di Garinei e Giovannini "Rinaldo in campo", insieme a Serena Autieri, Rodolfo Laganà e Gianni Ferreri. "The Voice of Italy" segna il suo debutto assoluto nella conduzione di una talent show televisivo. Nel 2015 torna alla conduzione con il programma "Mistero" e nello stesso anno lavora con Massimo Cappelli come protagonista e sceneggiatore del film "Non c'è 2 senza te". Doppio ruolo che replica, sempre con Cappelli alla regia, con il film "Prima di lunedì", nelle sale nel 2016.