W 2012 roku Fognini wystartował na igrzyskach olimpijskich w Londynie w konkurencji gry pojedynczej. Odpadł w 1 rundzie po porażce z Novakiem Đokoviciem. Podczas igrzysk olimpijskich w Rio de Janeiro w 2016 roku, tenisista włoski osiągnął ćwierćfinały w turniejach gry podwójnej (z Andreasem Seppim) i gry mieszanej (z Robertą Vinci), a w zawodach singlowych awansował do 3 rundy.