A Képzőművészeti Főiskolán Réti István egyik legtehetségesebb és legkedvesebb tanítványa lett. Harmadévesen, 1938-ban beiratkozott a Színművészeti Akadémiára. Már két év múlva a Vígszínház ösztöndíjas rendezőnövendéke volt, diplomájának megszerzése után, 1941-től a Nemzeti Színházban dolgozott színészként, díszlettervezőként és játékmesterként. 1943-ban katonai behívót kapott, a fronton amerikai hadifogságba került.
A Vígszínházban kezdte újra, 1946-tól a Várkonyi Zoltán szervezte Művész Színházban folytatta, 1948-ban a Nemzeti Színház rendezője, 1949-ben az Úttörő Színház igazgatója lett. 1950-ben az államosított Hunnia Filmgyárhoz került, ahol művészeti igazgatóként ő tervezte a Déryné és az Erkel című film díszleteit. Első filmje, a Vihar 1953-ban készült, s megkapta érte első Kossuth-díját.
1955-ben rendezte Sarkadi Imre novellájából a Körhintát Soós Imrével és Törőcsik Marival, amelyben a szövetkezet és a magángazdaság konfliktusán keresztül a paraszti nemzedékek ellentétéről, a párválasztás szabadságáról szólva Fábri képes volt az emberi kapcsolatok, érzelmek és konfliktusok drámai ábrázolására, s műve klasszikussá vált.
A következő évben készült Móra Ferenc kisregényéből a Hannibál tanár úr, 1958-ban Kosztolányi Édes Anna című regényét vitte filmre. Pályájának egyik csúcspontja a Sánta Ferenc művéből készült Húsz óra (1964), amely a magyar parasztság 1945 utáni viharos történetét mutatja be. A Két félidő a pokolban (1961) a munkaszolgálat rémségeire emlékeztet, az Utószezon (1966) szatirikus formában boncolgat súlyos lelkiismereti kérdéseket.
1968-ban amerikai–magyar koprodukcióban, angol gyerekszereplőkkel vitte filmre Molnár Ferenc klasszikusát, A Pál utcai fiúkat. Örkény István groteszk kisregényéből rendezte az Isten hozta, őrnagy urat (1969), ebben a Latinovits Zoltán által megformált őrnagy a hatalom visszaéléseit mutatja be egy család életében. A Kaffka Margit regényéből készült Hangyaboly (1971) egy apácazárda zárt világát ábrázolja, a Déry Tibor műve alapján forgatott 141 perc a befejezetlen mondatból (1974) pedig az 1930-as években egy polgári származású fiatalembernek a munkásmozgalomhoz való közeledését mutatja be.
Az ötödik pecsét (1975) ismét Sánta-adaptáció, a nyilas rémuralom idején játszódó példabeszéd az emberi szabadságról, a választásról a szabadság és szolgaság között. A Magyarok (1977) a második világháború alatt Németországba telepített parasztokról szól, a Fábián Bálint találkozása Istennel (1980) pedig az első világháború végének zűrzavarait idézi fel. Utolsó filmje az 1983-ban bemutatott Gyertek el a névnapomra volt. Élete végén visszatért a festészethez, expresszionista stílusú képeit több gyűjteményes tárlaton állította ki.
Pályája során 22 filmet rendezett, közülük a legtöbbnek maga volt a forgatókönyvírója, nemegyszer díszlettervezője is. Néha mások filmjeiben is felbukkant, Bacsó Péter A tanújában például ő játszotta Dániel Zoltánt, a per vádlottját.
Művei morális példázatok, arra keresik a választ, miként őrizheti meg az ember önmagát, erkölcsi tartását a történelem viharában, ahogy egyik szereplőjével mondatja: „Játékosok és zsetonok vagyunk egy személyben. Ez a Történelem!” Jóllehet a megújult magyar film jelképe a Körhinta lett, tucatnyi forgatókönyvét utasították el, 1956-ról nem forgathatott, többször is korlátozták megszólalási lehetőségeit.
1958-tól 1981-ig a Magyar Film- és Televízióművészeti Szövetség elnöke, majd tiszteletbeli elnöke volt. 1970-től tanított a Színház- és Filmművészeti Főiskolán, 1993-ban lett tagja a Széchenyi Irodalmi és Művészeti Akadémiának. 1965-ben kiváló művész lett, a Kossuth-díjat másodszor 1955-ben, harmadszor 1970-ben vehette át, 1992-ben megkapta a Magyar Köztársasági Érdemrend középkeresztjét. A Húsz órát Velencében és Moszkvában is kitüntették, A Pál utcai fiúkat Oscar-díjra jelölték, Requiem című alkotásának forgatókönyvéért 1982-ben Berlinben Ezüstmedvét kapott.
Fábri Zoltán 1994. augusztus 23-án hunyt el Budapesten. 2013-ban Hetvenöt perc Fábri Zoltán filmrendezőről címmel Medgyesi Gabriella készített filmet róla, festményeiből 2014-ben Ez is ember műve címmel rendeztek emlékkiállítást. A centenáriumra jelent meg Barabás Klára A történelem körhintáján, Fábri 100 című könyve is. (MTI)