Né le 14 juillet 1988 à Tor Bella Monaca, dans la banlieue est de Rome, au sein d'une famille de pêcheurs, Fabio D'Innocenzo grandit avec son frère jumeau Damiano, avec lequel il développe très tôt une passion commune pour la peinture, la photographie et la poésie. Entièrement autodidactes, dépourvus de toute formation cinématographique, les deux frères commencent par écrire des scénarios pour d'autres réalisateurs italiens, dont Dogman de Matteo Garrone, avant de tourner leurs premiers clips vidéo et productions télévisuelles. En 2018, ils réalisent ensemble leur premier long métrage, La terra dell'abbastanza (Frères de sang), thriller initiatique sur l'entrée de deux jeunes dans la criminalité organisée romaine, présenté à la Berlinale dans la section Panorama et récompensé du Ruban d'argent du meilleur nouveau réalisateur. Ils poursuivent en 2020 avec Favolacce (Storia di vacanze), sombre conte sur l'enfance en périphérie urbaine, sélectionné en compétition à la Berlinale où il remporte l'Ours d'argent du meilleur scénario. Ils signent ensuite America Latina (2021), présenté en sélection officielle à la Mostra de Venise.
Leur propre enfance instable, marquée par un père pêcheur qui les ballottait entre Rome et les ports de la côte tyrrhénienne, ainsi que leur expérience directe de la délinquance de quartier dans leur lignée familiale, nourrissent directement le réalisme social de leurs premiers films. Sergio Leone constitue une référence assumée, en particulier pour leur volonté de tourner un western moderne avec La terra dell'abbastanza avant de préparer un western plus classique. Ils citent également Italo Calvino et Gianni Rodari comme inspirations littéraires directes pour Favolacce, conte sombre inspiré de la tradition italienne du conte pour enfants détourné vers l'horreur du quotidien.
Les frères D'Innocenzo développent un néoréalisme suburbain contaminé par des influences visuelles plus contemporaines, souvent comparé au cinéma des frères Safdie pour son énergie et sa radicalité formelle. Leur mise en scène privilégie des cadres profonds et étroits, qu'ils revendiquent comme le reflet direct de leur regard sur le monde, radical et sans demi-mesure. Ils écrivent systématiquement ensemble leurs scénarios avant de codiriger chaque film à quatre mains, une complémentarité qu'ils décrivent comme un véritable dialogue silencieux né de leur lien gémellaire.
Fabio D'Innocenzo remporte, avec son frère Damiano, le Ruban d'argent du meilleur nouveau réalisateur en 2018 pour La terra dell'abbastanza, ainsi que l'Ours d'argent du meilleur scénario à la Berlinale 2020 pour Favolacce. America Latina est sélectionné en compétition officielle à la Mostra de Venise 2021.
Son frère jumeau Damiano D'Innocenzo constitue son collaborateur indissociable, les deux hommes coécrivant et coréalisant l'intégralité de leur filmographie depuis leurs débuts. Le réalisateur Matteo Garrone, pour lequel ils coécrivent le scénario de Dogman avant leurs propres débuts derrière la caméra, occupe également une place fondatrice dans leur parcours.
L'initiation à la criminalité et la violence en périphérie urbaine romaine constituent le motif central de leur premier film, La terra dell'abbastanza. L'enfance confrontée à la médiocrité et à la violence larvée du monde adulte, traitée sous forme de conte sombre, structure également Favolacce. Les frères D'Innocenzo s'intéressent enfin au malaise diffus provoqué par la société de consommation contemporaine, où l'aisance matérielle devient elle-même source de solitude et d'insatisfaction, thème central d'America Latina.