Fossen er sivilingeniør (MSc) i marin teknikk (1987) og han har en ph.d. i teknisk kybernetikk (1991) fra NTNU. Han er Fulbright alumni og han studerte aerodynamikk og flystyringssystemer gjennom Fulbright-programmet ved Department of Aeronautics and Astronautics, University of Washington, Seattle (1989-1990). Fossen ble ansatt som førsteamanuensis i 1991 og han var 30 år når han ble utnevnt som professor ved NTNU (1993). Han er medlem av Norges Tekniske Vitenskapsakademi (innvalgt 1998), Det Norske Videnskaps-Akademi (innvalgt 2022) og utnevnt som I (2016) av «the Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)». Fossen har som gründer vært med å etablere selskapet Marine Cybernetics AS i 2002 hvor han var Vice President R&D (2002-2008). Selskapet er i dag er en del av de maritime tjenestene i DNV. Han er en av gründerne av selskapet SCOUT Drone Inspection AS (2017). Fossen innehar flere patenter på hardware-in-the-loop (HIL)-testing teknologi for maritime og offshore systemer og droneteknologi. Et patent for væroptimal styring av marine fartøy ble godkjent i 1998. Dette arbeidet fikk «the Automatica Prize Paper Award» i 2002. I 2008 mottok Fossen the «Arch T. Colwell Merit Award» at the SAE 2008 World Congress.