Dimitri De Fauw begann seine Karriere 2003 beim Farmteam von Quick Step-Davitamon, später fuhr er für das ProTeam. Viermal gewann er Läufe des UIV-Cups, eines Nachwuchswettbewerbes für Sechstagefahrer, alle gemeinsam mit Iljo Keisse. 2004 gewannen die beiden Fahrer die Gesamtwertung des Cups. Insgesamt wurde er 18 Mal belgischer Meister auf der Bahn.
Am 26. November 2006 kollidierte De Fauw beim Sechstagerennen von Gent mit dem Spanier Isaac Gálvez Lopez, der an den Folgen des Unfalls starb. Seitdem litt De Fauw, der zuvor seinen Kollegen als ausgesprochener Spaßvogel bekannt war, an Depressionen. In einem Interview sagte er: „I will carry this with me for the rest of my life. Only time can heal my wounds.“ („Ich werde das für den Rest meines Lebens mit mir herumtragen. Nur die Zeit kann meine Wunden heilen.“)
Am 6. November 2009 beging Dimitri De Fauw im Alter von 28 Jahren Suizid.