Im Jahr 2016 stürzte Fabio Felline beim Amstel Gold Race noch vor dem offiziellen Start, als er mit der Hand zwischen Vorderrad und Gabel etwas richten wollte und sich dabei in den Speichen verfing. Im Spital von Maastricht wurde im Anschluss ein Nasenbeinbruch und Schädelbasisbruch festgestellt, wodurch Felline für mehrere Wochen ausfiel.[1] Nach seiner Genesung wurde er Gesamtzweiter der Polen-Rundfahrt und fuhr im Anschluss auf fünf Etappen der Vuelta a España 2016 in die ersten drei Positionen. Fabio Felline konnte zwar keine Etappe gewinnen, sicherte sich jedoch den Sieg in der Punktewertung.
Mit einem Sieg bei der Trofeo Laigueglia für das italienische Nationalteam startete er in die Saison 2017 und gewann nach Platz vier beim Omloop Het Nieuwsblad das Prolog-Zeitfahren der Tour de Romandie, die er auf dem vierten Gesamtrang beendete. Nach Platz zwei bei den italienischen Zeitfahrmeisterschaften nahm er seine erste Tour de France in Angriff, musste diese jedoch auf der 14. Etappe aufgeben. Nach zwei sieglosen Jahren wechselte er mit dem Jahr 2020 zum Astana Pro Team.
In seiner ersten Saison für das kasachische UCI WorldTeam gewann er im Jahr 2020 zum zweiten Mal beim Memorial Marco Pantani, konnte jedoch in den nachfolgenden Rennen nicht an seine früheren Leistungen anschließen. Nach drei sieglosen Saisonen, in denen er mehrere Grand Tours bestritt, wechselte er 2024 zurück zum Lidl-Trek Team (früher Trek-Segafredo).
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