Giunto a Roma appena ventenne, dopo aver lavorato come stuccatore, seppe accattivarsi la fiducia del card. F. Peretti, il futuro Sisto V, e per lui costruì sull'Esquilino la Villa Montalto, ora distrutta. Ma la sua attività più significativa cade durante il pontificato di Sisto V (1585-90); fu merito suo aver progettato, e in gran parte attuato, il vasto piano di sistemazione urbanistica voluto da Sisto V quasi a sottolineare l'aspetto universale di Roma: centro ideale del piano doveva essere la basilica di S. Maria Maggiore, dalla quale si irradiano a stella cinque ampie strade rettilinee che allacciano le basiliche e i principali monumenti visitati dai pellegrini. Anche per la erezione di obelischi e fontane che segnano le direttrici delle vedute, l'assetto urbanistico dato dal F. a Roma è tuttora fondamentale per l'aspetto monumentale della città nella zona compresa tra i colli Esquilino, Viminale e Pincio, lungo la traiettoria S. Giovanni in Laterano, S. Maria Maggiore, Trinità dei Monti(iter 3 e iter 4). A questa attività di urbanista si collegano le opere prevalentemente tecniche quali la costruzione dell'acquedotto dell'Acqua Felice e la erezione degli obelischi nelle Piazze di S. Pietro (iter 9), di S. Maria Maggiore (iter 3), di S. Giovanni in Laterano (Iter 4) e del Popolo (iter 7). Forse meno significativa, ma sempre molto nobile, la sua operosità di architetto: il F. costruì la cappella del Presepe in S. Maria Maggiore (Iter 3), ancora cinquecentesca nelle linee architettoniche ma arricchita di una sia pur sobria policromia che prelude al gusto barocco; costruì i Palazzi Lateranensi; lavorò al Palazzo del Quirinale (iter 3), poi terminato da O. Mascherino e C. Maderno; collaborò con Giacomo della Porta alla costruzione, sul tamburo di Michelangelo, della cupola di S. Pietro. Morto Sisto V, il nuovo pontefice Clemente VIII lo esonerò dalla carica di architetto pontificio; F. riparò allora a Napoli, dove venne nominato (1592) architetto regio e ingegnere maggiore del regno. A Napoli tracciò le vie di Chiaia e di S. Lucia, eresse la fontana Medina, costruì il palazzo Carafa della Spina e dette inizio ai lavori per il Palazzo Reale (1600); anche per ragioni di ordine statico, questo capolavoro subì successivamente svariate trasformazioni, ma tuttora la sua facciata, scandita in tre piani da cornici sporgenti, conserva un rigoroso e severo equilibrio classico accentuato anche dall'impiego dei tre ordini architettonici tradizionali.

Nella sua attività di architetto, il F. si era avvalso spesso della collaborazione, oltre che del nipote C. Maderno, anche del fratello Giovanni Fontana (Melide 1540 - Roma 1614), che fu idraulico di vaglia, operoso a Civitavecchia, Frascati, Loreto e Roma (fontana dell'Acqua Paola, sul Gianicolo; in collaborazione con C. Maderno). Un figlio di Domenico, di nome Giulio Cesare (n. a Roma), nel 1627 era operoso a Napoli, impegnato a costruirvi il Palazzo degli Studi.