Estudià la carrera d'enginyer industrial, i ocupà una càtedra de química a l'escola d'enginyers de Bilbao, on residí durant deu anys (1902-11). Amb tot, de molt jovenet encara, s'afermà en ell la decisió de dedicar-se a l'estudi del català i a la difusió de la correcció de la llengua. Això explica les seves obres primerenques: Ensayo de gramática del catalán moderno (1891) i Contribució a la gramàtica de la llengua catalana (1898), que redactà amb un criteri molt independent respecte a les gramàtiques existents. Formà part de L'Avenç, on promogué (1890-91) una campanya memorable per a la reforma ortogràfica, amb Jaume Massó i Torrents i Joaquim Casas i Carbó, que publicaren el seu Sil·labari català (1904) i un
Tractat d'ortografia catalana (1904), i tingué una participació destacada en el Primer Congrés Internacional de la Llengua Catalana (1906). Autodidacte, els anys que passà a Bilbao pogué dedicar-se intensament a l'estudi de les obres dels grans romanistes del moment, que arribà a conèixer a la perfecció: en fou fruit la Gramática de la lengua catalana (1912), la més sòlida des d'un punt de vista lingüístic. Cridat per Prat de la Riba, es traslladà a Barcelona, on fou nomenat professor a la càtedra de català creada per la diputació de Barcelona i membre de la novella secció filològica (1911) de l'Institut d'Estudis Catalans, de la qual més tard fou president (com ho fou també de l'Institut); tingué a càrrec seu, encara, la direcció de les oficines lexicogràfiques del mateix Institut. Aquest promulgà les Normes ortogràfiques (1913), que, bé que sense el seu nom, eren principalment obra d'ell i contenien la part essencial de l'ortografia defensada pel grup de L'Avenç (dins l'editorial del qual publicà les seves traduccions de La intrusa, de Maeterlinck, i d'Espectres, d'Ibsen) i que serviren per a la formació d'un Diccionari ortogràfic redactat sota la seva direcció (1917). La segona etapa de la reforma fou l'estrictament gramatical: publicà, per encàrrec de l'Institut, que l'adoptà com a oficial, la Gramàtica catalana (1918), de la qual han estat fetes set edicions. Contenia les parts obligades, sobretot de morfologia, que eren sovint objecte de controvèrsia i que Fabra resolgué amb esperit obert. Establertes l'ortografia i la gramàtica, es preocupà de l'escola: calia divulgar, a diversos nivells, la doctrina gramatical sancionada. Ell mateix redactà el conegut Curs mitjà de gramàtica catalana, publicat per l'Associació Protectora de l'Ensenyança Catalana (1918), amb cinc edicions.