5 июля 2011 года был куплен мадридским «Реалом» за 30 миллионов евро.

Фабио дебютировал за Реал в товарищеском поединке против Лос-Анджелес Гэлакси, в которым получил звание игрок матча. Первым официальным матчем для Фабио стал мадридский матч против Барселоны на Суперкубок Испании, где на 54 минуте заменил Анхеля Ди Марию, на 91 минуте отметился желтой карточкой. Реал в драматичной борьбе уступил в двухматчевом противостоянии 4-5.

28 августа 2011 года дебютировал в Ла-Лиге в поединке против Сарагосы, своего бывшего клуба. Реал разгромил своего соперника 6-0, Фабио отыграл весь матч. Жозе Моуринью получил возможность варьировать состав, поэтому Коэнтрау играл то в середине поля, то подменял на левом фланге Ди Марию. В конце концов Фабио стал играть левого защитника, чередуясь с бразильцем Марсело. В Ла-Лиге Фабио сыграл 20 матчей, Реал сумел прервать гегемонию Барселоны на внутренней арене, и в 32 раз выиграли чемпионат Испании.

В Кубке Испании Фабио провел три матча, в том числе два против Барселоны на стадии четвертьфинала. Реал уступил 3-4 по сумме двух матчей будущему победителю турнира.

В Лиге Чемпионов Фабио на групповом этапе сыграл пять матчей, и трижды выходил на поле в поединках на вылет. Реал уступил в полуфинале Баварии в серии послематчевых пенальти.

16 июля УЕФА опубликовал на своём официальном сайте список из 32 футболистов, претендующих на приз лучшему футболисту среди выступающих в Европе. В этот список вошел и проведший великолепный сезон Фабио Коэнтрау.

Новый сезон Реал начал с убедительной победы над Барселоной в матчах за Суперкубок Испании (2-3 в гостях, 2-1 дома, масса нереализованных моментов), Фабио сыграл в барселонском матче все 90 минут.

Отыграв ничейный поединок первого тура против Валенсии, во втором матче против Хетафе Фабио был удален с поля за резкие высказывания в сторону арбитра, принявшего несколько неоднозначных решений. Коэнтрау дисквалифицировали на четыре матча.. В матче за сборную Фабио получил травму, поэтому в следующий раз вышел в чемпионате только в 11 туре 11 ноября в матче против Леванте, в котором Реал победил 2-1.

Летом 2007 года в составе сборной Португалии до 20 лет сыграл в молодёжном чемпионате мира, приняв участие в 3-х играх.

После того, как Фабиу достиг похвалы в «Бенфике», его стали вызывать в основную сборную Португалии. Вместе с ней он он принял участие в финальном турнире чемпионата мира в ЮАР, где провел все 4 матча, сыграные сборной Португалии.

Сборная Португалии в 2011 успешно преодолела отборочный цикл к ЧЕ-2012, заняв в группе 2 место, и по сумме двух матчей обыграв в стыковых матчах сборную Боснии и Герцеговины. Фабио принял участие в 5 матчах отборочного цикла, а также в обоих стыковых поединках. В ответном матче против Боснии отметился голевой передачей.

На Евро-2012 Фабио провел все 5 матчей от звонка до звонка, сделав одну результативную передачу. По итогам турнира Сборная Португалии выиграла бронзу, лишь в серии послематчевых пенальти уступив в полуфинале будущему победителю, сборной Испании. Своей великолепной игрой Фабио обратил на себя внимание футбольных специалистов, которые высоко оценили его уровень. По итогам турнира Фабио вошел в символическую сборную турнира, в которую попали также два его одноклубника-португальца Пепе и Криштиану Роналду.

В новом отборочном цикле к ЧМ-2014 Фабио сыграл оба стартовых поединка против Люксембурга и Азербайджана, в которых португальцы одержали победы со счетом 2-1 и 3-0 соответственно. В московском матче против сборной России Фабио получил травму, и был заменен на 20 минуте. Португалия проиграла 0-1. Эта травма не позволила ему принять участие в матче против сборной Северной Ирландии, а также в ряде матчей за Реал