Après avoir rejoint l’équipe nationale chinoise de tennis de table en 2012 en tant que plus jeune membre de l’équipe, Fan est devenu le plus jeune champion du circuit mondial ITTF et le plus jeune champion du monde de tennis de table.
En avril 2018, il a atteint la première place du classement mondial après avoir occupé la position n° 2 pendant 29 mois consécutifs, à partir de novembre 2015.

Fan a remporté la médaille d’or olympique en simple masculin aux Jeux olympiques d’été de Paris 2024 avant de s’imposer par équipe et conserver le titre acquis trois ans plus tôt à Tokyo 2020.

Il est devenu ainsi le 6e joueur masculin à réaliser un Grand Chelem après Kong Linghui, Liu Guoliang, Zhang Jike, Ma Long et Jan-Ove Waldner.
A Tokyo, Fan avait été battu par son compatriote Ma Long en finale.

Le style de jeu offensif de Fan implique un jeu de jambes explosif et des boucles de coup droit puissantes. Sa carrure trapue a conduit les fans et les commentateurs à le surnommer affectueusement « Petit Gros ».

Fan a étudié à l’Université Jiao Tong de Shanghai.