Fabio Armiliato ha studiato al Conservatorio Niccolò Paganini della sua città, dove ha anche frequentato un corso di composizione. Vincitore del II Concorso Nazionale Tito Schipa di Lecce e del Concorso Internazionale Pavia Lirica, ha debuttato nel 1984 come Gabriele Adorno in Simon Boccanegra al Teatro Carlo Felice di Genova.

Nel 1989 è stato Cavaradossi alle Terme di Caracalla e Riccardo al Teatro Regio di Parma e nel 1991 Radames in Aida all'Opéra municipal de Marseille. Nel 1993 vi è stata la consacrazione internazionale con il debutto al Metropolitan Opera ne Il trovatore, seguito da Radames in Aida e Turiddu in Cavalleria rusticana. Altri importanti debutti sono stati: al Teatro alla Scala nel 1994, al Teatro Colón di Buenos Aires e alla San Francisco Opera nel 1994, allo Sferisterio di Macerata nel 1995, all'Opéra National de Paris nel 1996, alla Wiener Staatsoper nel 1998. Nel 1999 ha debuttato all'Arena di Verona cantando Aida e Carmen.

Nel 2011 ha debuttato in Otello all'Opera Royal de Wallonie di Liegi, ha recitato nel film di Woody Allen To Rome with Love, è stato insignito del “Premio Internazionale Tito Schipa” di Ostuni e proclamato cittadino onorario di Recanati nel nome di Beniamino Gigli.