Le 15 septembre 2015, la presse sportive annonce que Fabien Grellier et ses coéquipiers Romain Cardis et Jérémy Cornu deviennent professionnels au sein de l'équipe française Direct Énergie, ex-Europcar[1].
En mars, il prend part à son premier Paris-Nice et endosse notamment le maillot à pois au terme de la 6e étape. Un mois plus tard, on le retrouve 7e du Tour du Finistère. La semaine suivante, il participe à Liège-Bastogne-Liège (114e) pour la troisième année consécutive. Échappé lors de la troisième étape du Tour de Suisse, il reçoit le prix de la combativité. Sa progression est récompensée par une sélection pour le Tour de France. Il est ainsi retenu pour apporter ses qualités en montagne et sur le plat ainsi que pour ses capacités à effectuer de longs raids en échappée et à se mettre au service du collectif[3].
Depuis 2019
Membre de l'échappée matinale lors de l'étape reine du Tour d'Oman, il n'est repris que dans les 100 derniers mètres par Alexey Lutsenko, le privant de sa première victoire chez les professionnels[4]. En mars, il participe à son premier Milan-San Remo. Il se distingue de nouveau au travers d'échappées lors de la deuxième et de la cinquième étape du Tour de Suisse ou encore lors de la sixième étape de son deuxième Tour de France. Le 31 octobre, son équipe annonce la prolongation de son contrat pour les saisons 2020 et 2021.
Après son échappée lors de la première étape du Tour de France 2020, il porte pendant une étape le maillot à pois du leader du classement de la montagne.
En août 2022, TotalEnergies annonce l'extension du contrat de Grellier jusqu'en fin d'année 2024[5].
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