Pada bulan Agustus 2018, juga diumumkan bahwa Fabio akan bergabung dengan Franco Morbidelli di tim satelit Yamaha yang baru dibentuk, Petronas Yamaha SRT.
Dan apa yang terjadi di tahun 2019 sungguh luar biasa. Pembalap nomor 20 itu ingin menunjukkan kepada siapa saja yang meragukan kemampuannya. Dia membungkam para penentang dengan meraih tujuh podium dan enam pole position.
Fabio juga menyelesaikan musim sebagai Rookie of the Year, pemenang Independent Riders' Championship, dan kelima di Kejuaraan Dunia secara keseluruhan.
Seolah masih kemenangan pertama yang sulit didapat di kelas utama MotoGP, ia menargetkan menjadi juara utama untuk 2020. Meski kalender berubah karena pandemi global Covid-19, ia tidak perlu menunggu lama. Fabio mendominasi di Jerez pada bulan Juli, membuka kampanyenya dengan kemenangan ganda. Di Catalunya dia mencetak kemenangan ketiganya, tetapi dia berjuang untuk membawa performa yang sama hingga akhir musim.
Namun, dari total 14 GP ia mengamankan sembilan start baris depan, empat di antaranya pole position. Jelas keajaiban Prancis memiliki kecepatan. Hal itu membuatnya mengincar konsistensi untuk mengamankan gelar kejuaraan pertamanya.
Pada tahun 2021, Fabio memenuhi dua mimpinya dalam satu musim. Ia mengikuti jejak idolanya, Valentino Rossi dengan bergabung dengan Monster Energy Yamaha MotoGP Team dan menjadi Juara Dunia.
Fabio juga mendapatkan BMW M Award 2021 atas prestasi gemilangnya.