Fàbregas tuli Barcelonan nuorisoakatemian "La Masia" kautta ja lähti 16-vuotiaana, kun Premier League -klubi Arsenal allekirjoitti sopimuksen hänen kanssaan syyskuussa 2003. Vuoden 2004-05 kauden alkupuolella keskeisten keskikenttäpelaajien loukkaantumisen jälkeen hän jatkoi joukkueessa. Hän rikkoi useita klubin ennätyksiä ja voitti FA Cupin vuonna 2005. Pitkittyneen siirto-saagan jälkeen Fàbregas poistui Lontoosta 15. elokuuta 2011 palaamaan Barcelonaan sopimuksessa, jonka arvo oli jopa 35 miljoonaa puntaa. Kolmen vuoden aikana Camp Nou, Fàbregas pelasi rinnalla Xavi ja Andrés Iniesta ja voitti La Liga-tittelin, Copa del Rey, FIFA Club World Cup, UEFA Super Cup
Ja kaksi Espanjan Supercupia. Hän palasi Lontooseen kesäkuussa 2014 Arsenalin kilpailijaan Chelseaan 30 miljoonan punnan palkalla, ja ensimmäisenä vuotenaan hän auttoi varmistamaan League Cupin ja Premier League -voittojen.