Elle a étudié à l'Institut des hautes études cinématographiques (IDHEC) de Paris et a commencé sa carrière professionnelle en tant que régisseur sur les plates-formes de télévision. En 2003, elle réalise son premier documentaire "Les Chambres de la vie", pour lequel elle est nominée au Prix Jean Vigo et reçoit le prix du meilleur documentaire au Festival de télévision de Monte-Carlo.
En 2014, Fabienne Zeller sort son premier long métrage, "Les Combattants", qui est un grand succès critique et public. Le film raconte l'histoire d'un couple formé pendant la guerre civile en Côte d'Ivoire entre deux adolescents, une Française et un Ivoirien, et retrace leur parcours à travers le conflit. "Les Combattants" est récompensé du Prix Lumière de la meilleure révélation cinématographique, du César du meilleur premier film et du prix Louis-Delluc.
En 2018, Fabienne Zeller réalise son deuxième long métrage, "La Belle et la Mécanique", un drame romantique qui raconte l'histoire d'une jeune femme aveugle qui tombe amoureuse d'un homme qui a perdu sa vue après un accident de voiture. Le film est sélectionné à la Quinzaine des Réalisateurs au Festival de Cannes et est récompensé du prix Louis-Delluc pour le meilleur scénario original.
En 2021, Fabienne Zeller réalise "J'ai perdu mon corps", un thriller psychologique sur une actrice atteinte d'une maladie mentale qui se voit confrontée à la mort de son personnage lors du tournage d'un film. Le film est sélectionné dans la Quinzaine des Réalisateurs au Festival de Cannes et reçoit le Prix Louis-Delluc pour la meilleure réalisation et le prix du meilleur acteur féminin pour Adèle Haenel.
Fabienne Zeller a également réalisé plusieurs documentaires, dont "L'Enfer des ténèbres", sur les problèmes de santé mentale aux États-Unis, et "Mesdemoiselles", sur la vie des religieuses dans un couvent de Provence.
Elle est considérée comme l'une des figures prometteuses du cinéma français contemporain.