Udo Di Fabio wurde am 26. März 1954 in Walsum, heute Duisburg geboren. Er war 1970 bis 1980 als Verwaltungsbeamter im mittleren Dienst in Dinslaken tätig, ehe er 1985 das zweite juristische Staatsexamen absolvierte. Von 1985 bis 1986 war er Richter am Sozialgericht in Duisburg. 1987 wurde er an der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität in Bonn mit einer Arbeit über Rechtsschutz im parlamentarischen Untersuchungsverfahren zum Doktor der Rechte und 1990 in Duisburg mit einer Arbeit zum Thema Offener Diskurs und geschlossene Systeme im Fach Sozialwissenschaften promoviert.

Von 1986 bis 1990 war Di Fabio Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Öffentliches Recht der Universität Bonn, von 1990 bis 1993 am gleichen Institut Wissenschaftlicher Assistent. Im Jahr 1993 habilitierte sich Di Fabio in Bonn mit einer Arbeit über Risikoentscheidungen im Rechtsstaat. Im Mai 1993 nahm er einen Ruf auf eine Professur an der Westfälischen Wilhelms-Universität in Münster, im November des gleichen Jahres einen weiteren Ruf auf eine Professur an der Universität Trier an.

Im Jahr 1997 übernahm er eine Professur an der Ludwig-Maximilians-Universität in München, im Jahr 2003 eine solche an der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität in Bonn. Seit Dezember 1999 gehört Di Fabio dem Zweiten Senat des Bundesverfassungsgerichts an.

Di Fabio ist Mitherausgeber der Fachzeitschrift Archiv des öffentlichen Rechts.

Er ist verheiratet, hat vier Kinder und lebt mit seiner Familie in Bonn.