Após defender o Cruz Azul-MEX, Fábio Santos foi apresentado pelo Atlético em junho de 2016. Chegou, conquistou a posição e substituiu bem o então titular Douglas Santos, vendido posteriormente para o Hamburgo-ALE. Em uma temporada e meia, disputou 91 partidas e marcou cinco gols (todos de pênalti) com a camisa do Atlético.
Fábio Santos foi bem em 2016 e manteve a regularidade em 2017. Na última temporada, o lateral-esquerdo atuou 64 vezes e foi o jogador que mais atuou com a camisa alvinegra. Além disso, ganhou moral ao assumir o posto de batedor oficial de pênaltis. Em cinco tentativas, acertou todas.
O lateral ainda não estreou na temporada 2018.