Né à Mont-de-Marsan, Fabien Vehlmann vit à La Motte-Servolex de 1975 à 1992. Il étudie à l’École supérieure de commerce de Nantes, et effectue un service civil dans une troupe de théâtre de Chambéry.
En 1996, il participe à un concours de scénario dans Spirou magazine, mais est éliminé du tirage car il ne respecte pas le format de rigueur. Malgré tout, il envoie durant toute une année des scénarios au magazine avant d'être finalement accepté.
En 1998, il commence la série Green Manor, mise en images par Denis Bodart. Celle-ci et la série pour enfants Seuls (dessinée par Bruno Gazzotti et qui remporte le Prix Jeunesse du festival d'Angoulême 2007) contribuent à le faire connaître et à le conduire à scénariser Spirou et Fantasio.
En 2006, avec Yoann, il inaugure la collection Une aventure de Spirou et Fantasio par… en réalisant Les Géants pétrifiés, une version hewlettienne de Spirou.
Puis en 2009, Vehlmann et Yoann sont finalement choisis comme l'équipe officielle de la série régulière de Spirou et Fantasio en remplacement du duo Morvan/Munuera. Le tome 51, Alerte aux Zorkons sort en septembre 2010.
Il est, avec Gwen de Bonneval, Brüno, Cyril Pedrosa et Hervé Tanquerelle, un des fondateurs de la revue de bande dessinée numérique Professeur Cyclope.
Les Derniers Jours d'un Immortel avec Gwen de Bonneval, éditions Futuropolis
Seuls avec Bruno Gazzotti, éditions Dupuis
Green Manor avec Denis Bodart, éditions Dupuis