Hammers tog ledningen när Manuel Lanzini slog Thibaut Courtois med en överdådig locktång från 25 meter.
Fabregas fantastiska set på halvtid satte tillbaka dem.
Substitute Andy Carroll såg ut att ha vunnit den för West Ham, innan Fabregas ryckte en punkt efter Michail Antonio fouled Ruben Loftus-Cheek.
Victory skulle ha flyttat West Ham framför Manchester City till fjärde plats, men Slaven Bilics sida kunde inte lägga till Chelsea till Manchester City, Liverpool och Arsenal på deras lista över bort skalper den här säsongen.
Chelsea, som förblir obesegrad i ligan under interim boss Guus Hiddink, stanna 10: e.
Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Efter Carroll slutade kliniskt från Dimitri Payets fantastiska genom-ball, var West Ham två minuter plus extra tid bort från sin första seger i Stamford Bridge på 14 år när substitut Loftus-Cheek föll i området.
Domare Robert Madley pekade på platsen, men repriser verkade visa att i stället för att bli klippt av Antonio, snubblade mittfältaren över sina egna fötter.
Dessutom verkade Antonio - som hade gjort mål i var och en av sina tidigare tre ligamatcher - vara utanför lådan när Loftus-Cheek gick ner.
"Att medge att sent är rensande, men att medge det från ett straff som inte är ett straff är oacceptabelt," Bilic sade.
"Det var inte nära linjen. Det var långt ut. Det var inget straff. Vi är utslitna och vi får inte dessa beslut."
Efter förra veckans nederlag av Everton i FA Cup, regerande ligan mästare Chelsea har inget kvar att spela för denna säsong - men de visade massor av kämpande anda att ta en punkt från denna match.
Blues var inte som bäst flytande men 18 kors och 22 skott berättade historien om deras outtröttliga strävan i främre områden.
Fabregas, en utmärkt artist förra säsongen, har uthärdat en mycket svårare kampanj denna gång, och har ibland anklagats för att gå saknas i svåra matcher, men här var han på sin inflytelserika bäst.
Hans frikick var mästerlig, fick bollen upp och ner från 25 yards och slog dyk av Adrian efter Winston Reid hade fouled Oscar.
Men hans prestation handlade om mycket mer än mål - den 28-årige spanjoren hade också fler skott, passningar och beröringar än någon annan på planen.
Chelsea manager Guus Hiddink: "Vi stirrade bra under de första 10 minuterna men vi började sedan förlora innehavet alltför lätt. Vi reagerade strax före halvtid, särskilt med den vackra Fabregas frikick. Under andra halvan fastnade vi på disken, men vi reagerade perfekt för att få dragningen.
"Detta är en mycket bra West Ham sida. De knackar på dörren för de fyra bästa. Jag var nöjd med det sena straffbeslutet. Det är svårt för mig att göra en bedömning - jag tror att han var snubblad på linjen. På linjen är en del av lådan."
Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
West Ham manager Slaven Bilic: "Jag tittar inte för mycket på bordet, men det som ger mig självförtroende är hur vi spelar, oavsett vem eller var.
"Vi är kapabla och vi har chanser mot alla lag. Detta tillvägagångssätt bör föra oss långt."
Chelsea möter Aston Villa den 2 april, medan West Ham är värd för Crystal Palace.
Matchen slutar, Chelsea 2, West Ham United 2.
Andra halvlek, Chelsea 2, West Ham United 2.
John Obi Mikel (Chelsea) vinner en frispark i den defensiva halvan.
Foul av Andy Carroll (West Ham United).
Försök missade. Ruben Loftus-Cheek (Chelsea) höger fotade skott från mitten av lådan är nära, men missar till vänster. Hjälpt av Bertrand Traore efter en viss situation.
Pedro (Chelsea) vinner en frispark på vänsterflygeln.
Foul av Winston Reid (West Ham United).
Foul av Gary Cahill (Chelsea).
Andy Carroll (West Ham United) vinner en frispark i den defensiva halvan.
Försöket räddades. Dimitri Payet (West Ham United) höger fotade skott från utsidan rutan sparas i nedre högra hörnet.
Willian (Chelsea) visas det gula kortet.
Cesc Fàbregas (Chelsea) visas det gula kortet.
Handboll av Cesc Fàbregas (Chelsea).
Adrián (West Ham United) visas det gula kortet.
Mål!  Chelsea 2, West Ham United 2. Cesc Fàbregas (Chelsea) konverterar straffet med en högerfotad skott till nedre högra hörnet.
Michail Antonio (West Ham United) visas det gula kortet för en dålig foul.
Straffad Chelsea. Ruben Loftus-Cheek drar ett brott i straffområdet.
Straffet medgavs av Michail Antonio (West Ham United) efter ett brott i straffområdet.
Försök blockerat. Andy Carroll (West Ham United) header från mycket nära håll är blockerad. Hjälpt av Dimitri Payet med ett kors.
Hörnet, West Ham United. Förföljd av Branislav Ivanovic.
Cesc Fàbregas (Chelsea) vinner en frispark i defensiva halvan.
Aaron Cresswell (Väst Ham Förenade).
Foul av John Obi Mikel (Chelsea).
Andy Carroll (West Ham United) vinner en frispark i anfallshalvan.
Ersättning, Chelsea. Ruben Loftus-Cheek ersätter Oscar.
Försök missade. John Obi Mikel (Chelsea) höger fotade skott utanför lådan missar till höger.
Försök missade. Gary Cahill (Chelsea) huvudet från mitten av lådan är nära, men missar till höger. Hjälpt av Willian med ett kors som följer ett hörn.
Substitution, West Ham United. Pedro Obiang ersätter Manuel Lanzini.
Hörnet, Chelsea. Förföljd av Aaron Cresswell.
Försök blockerat. Cesc Fàbregas (Chelsea) höger fotade skott från höger sida av lådan är blockerad.
Hörnet, West Ham United. Förföljd av Willian.
Försöket räddades. Andy Carroll (West Ham United) header från mitten av lådan sparas i mitten av målet. Hjälpt av Dimitri Payet med ett kors.
Hörnet, West Ham United. Sammankallad av César Azpilicueta.
Hörnet, West Ham United. Förföljd av John Obi Mikel.
Försök blockerat. Dimitri Payet (West Ham United) höger fotad skott från mitten av lådan är blockerad. Hjälpt av Andy Carroll.
Försök missade. John Terry (Chelsea) huvud från mitten av lådan är bara lite för högt. Assisterad av Cesc Fàbregas med ett kors efter ett hörn.
Hörnet, Chelsea. Förföljd av Angelo Ogbonna.
Substitution, West Ham United. Emmanuel Emenike ersätter Enner Valencia.
Försök missade. Cesc Fàbregas (Chelsea) höger fotade skott från mitten av lådan är bara lite för hög.
Försök blockerat. Oscar (Chelsea) höger fotade skott från höger sida av lådan är blockerad. Hjälpt av Pedro med ett kors.
Cesc Fabregas gjorde en frispark och ett sent straff som Chelsea tjänade en poäng att frustrera West Hams Champions League ambitioner.