Fabien Taillefer est membre d'une famille de cyclistes. Son père Fabrice et son frère Kévin le sont également.
Il débute dans les épreuves de jeunes en 2007 avec L'ES Livarot. Cette année-là, il remporte de nombreux succès et se fait remarquer comme un coureur complet. Champion de France juniors du contre-la-montre et vice-champion d'Europe sur route, il remporte Paris-Roubaix juniors, une course de pavés et la Classique des Alpes juniors une course vallonnée. De plus il remporte la Route de l'Avenir, une course par étapes. Il finit la saison Vélo d'or junior avec 24 succès.
Ses bons résultats et sa polyvalence lui permettent de signer un contrat professionnel avec l'équipe Roubaix Lille Métropole[1]. À l'issue de cette saison marquée par une blessure[2], il choisit de quitter l'équipe pour revenir dans les rangs amateurs[3].
En 2011, il revient à l'USSA Pavilly Barentin[4]. Lors du Circuit des plages vendéennes, il prend par deux fois la deuxième place. Sur La Melrandaise qu'il remporte en solitaire, il relègue le peloton à plus de huit minutes. Le lendemain, au Grand Prix d'ouverture de Saint-Hilaire-du-Harcouët, il termine quatrième et laisse la victoire à son coéquipier Tomasz Olejnik. Le 1er mars 2011, il est placé en garde à vue dans le cadre d'une enquête sur un trafic de produits dopants[5]. Il reconnaît alors s'être dopé entre 2009 et 2010, et avoir obtenu ses deux victoires d'étape au Tour de la Manche grâce au dopage[6].
Il fait un bref retour dans le peloton amateur en 2012 et 2013.