Nachdem Aru in den Jahren 2011 und 2012 die italienischen EtappenrennenGiro delle Valli Cuneesi, Toscana-Terra di Ciclismo und zweimal den Giro della Valle d’Aosta gewann, schloss er sich 2013 dem kasachischen UCI ProTeamAstana an. Mit diesem Team gelang ihm 2014 der Durchbruch bei den Grand Tours: Er gewann eine Bergetappe beim Giro d’Italia, den er als Dritter beendete, und zwei Bergetappen bei der Vuelta a España, bei der er Fünfter wurde. Ein Jahr später gewann er zwei Bergetappen und die Nachwuchswertung beim Giro d’Italia und beendete die Rundfahrt als Zweiter hinter Alberto Contador mit 1:53 Minuten Rückstand. Für einen Tag hatte Aru beim Giro das Gesamtklassement angeführt.
Im September 2015 startete Aru bei der Vuelta a España. Er fuhr während der 11. Etappe ins Rote Trikot des Gesamtführenden und behielt es zunächst fünf Tage, bevor er es an Joaquim Rodríguez und später Tom Dumoulin abgeben musste. Erst auf der letzten Bergetappe lancierte Aru gemeinsam mit seiner Mannschaft den entscheidenden Angriff auf Dumoulin, der den Italiener erneut in Führung brachte und schließlich zu seinem ersten Sieg bei einer Grand Tour führte.
Im März 2019 musste Fabio Aru wegen einer verengten Hüftarterie operiert werden, weshalb er nicht beim Giro d’Italia starten konnte.[1]
Nach drei weniger erfolgreichen Jahren beim Team UAE wechselte Aru 2021 zu Qhubeka NextHash und gab kurz vor der Vuelta a España bekannt, dass dies sein letztes Radrennen als Profi sein werde. Anfang September beendete Fabio Aru daraufhin nach mehr als zehn Jahren seine Radsportkarriere.[2]