D’abord agrégative en sciences économiques et sociales à l’École normale supérieure puis agrégée et docteur en sciences économiques de l’université Paris-Dauphine, Fabienne Bartoli a démarré son parcours professionnel dans l’enseignement supérieur avant d’intégrer la direction de la prévision au ministère de l’Économie, des Finances et de l’Industrie. Elle a été conseillère technique pour les produits de santé au sein de plusieurs cabinets ministériels entre 2004 et 2006. Elle a ensuite rejoint l’Inspection générale des affaires sociales (IGAS). En juin 2008, elle est nommée directrice générale adjointe de l’Agence française de sécurité sanitaire des produits de santé (AFSSAPS, devenue ANSM), et en assure la direction générale par intérim de février à mai 2011.
Après avoir réintégré l’IGAS en juin 2011, elle est nommée directrice du cabinet de la ministre des Sports, puis, en septembre 2012 conseillère pour les affaires sociales à la représentation permanente (RP) de la France auprès des Nations Unies à New York. Elle a également travaillé avec le groupe « diplomatie et santé » pour la promotion de la couverture universelle santé.
Fabienne Bartoli est également l’auteure de nombreux rapports, parmi lesquels ceux sur l’aide médicale d’État (2019), la stratégie nationale sur les perturbateurs endocriniens (2018), la place des cliniques privées dans l’offre de soins (2013) ou encore les surcoûts pour les établissements de santé de la prise en charge du Covid-19 (2021-2022).