Fabiola giftet seg med Baudouin I av Belgia den 15. desember 1960 i Brussel. Baudouin hadde vært konge av Belgia siden hans far Leopold III abdiserte i 1951. Ved vielsen i kirken i Laeken bar hun en -tiara fra 1926, som hadde vært en gave fra den belgiske stat til hennes svigermor prinsesse Astrid av Sverige. Brudekjolen var laget i Madrid av Cristóbal Balenciaga, som var en god venn av Fabiolas familie.