Müller-Lütkemeier ist die Tochter der vor allem in den 1980er Jahren ebenfalls als Dressurreiterin erfolgreichen Gina Capellmann-Lütkemeier und die Nichte von Nadine Capellmann sowie Enkelin des Reitsportfunktionärs Kurt Capellmann. Ihr Vater ist der ehemalige Springreiter Friedrich Wilhelm Lütkemeier.[1]
Sie studierte an der IBS International Business School in Lippstadt. Im Mai 2018 heiratete sie ihren langjährigen Lebensgefährten Ingo Müller[2] und nahm den Nachnamen Müller-Lütkemeier an.[3]
Im Jahr 2007 nahm sie an den Europameisterschaften der Junioren in Nußloch mit Bouton teil, dem ehemaligen Grand Prix-Pferd ihrer Tante. Dabei gewann sie mit der Mannschaft und in der Einzelwertung zweimal Silber. 2008 nahm sie mit Amando am Piaff-Förderpreis teil und wurde beim Finale in Stuttgart Sechste. Bei den Europameisterschaften der Jungen Reiter wurde sie 2009 in Ermelo zweimal Zweite und gewann Gold in der Kür[4], 2010 in Kronberg im Taunus siegte sie in allen drei Wettbewerben.[5] Zum Jahresende 2010 gewann sie mit D’Agostino das beim Festhallen-Reitturnier Frankfurt ausgetragene Weltcupfinale der Jungen Reiter.
Für die Olympischen Spiele 2012 in London war sie zunächst als zweite Reserve vorgesehen. Da Monica Theodorescus Pferd Whisper kurzfristig ausfiel, wurde Lütkemeier als Ersatzreiterin der deutschen Equipe nachnominiert.[6]
Mit Qui Vincit Dynamis gewann sie unter anderem die unter Flutlicht ausgetragene Grand Prix Kür des CDI5* beim Pfingstturnier Wiesbaden 2016. Dieser Wallach war zudem ihr Pferd beim Deutschen Dressurderby 2013, das sie gewann. Mit Fabregaz sicherte sich Fabienne Lütkemeier im März 2017 den Sieg im Grand Prix Spécial des CDI5* von Dortmund, mit 40.000 Euro Preisgeld eine der höchstdotierten Prüfungen im Dressursport in Deutschland.[7]
Im April 2020 befand sie sich mit Fabregaz auf Rang 80 der Weltrangliste Dressur.
Amando (* 1990; † 2021), brauner Schwedischer Wallach, Vater: Amiral, Muttervater: Indus; bis 2007 von Gina Capellmann-Lütkemeier geritten[8]
Bouton 2 (* 1994), Hannoveraner Fuchs Wallach, Vater: Borneo, Muttervater: Weltmeyer[9], zuletzt im Juni 2009 im Sport eingesetzt
Qui Vincit Dynamis (* 1999), Oldenburger Fuchs Wallach, Vater: Quattro B, Muttervater: Calypso II[10], zuletzt im Mai 2016 im internationalen Sport eingesetzt
Fabregaz (* 2007), brauner Bayerischer Wallach, Vater: Florestano, Muttervater: Ragazzo, zuletzt im Mai 2021 im internationalen Sport eingesetzt
Flynn PCH (* 2006), Hannoveraner Dunkelfuchs Hengst, Vater: Falsterbo, Muttervater: Walt Disney I[13]; bis 2015 unter Hubertus Schmidt und Emma Kanerva, seit März 2022 von Hope Cooper geritten
Capo 20 (* 2006), dunkelbrauner Holsteiner Hengst, Vater: Cracker Jack 5, Muttervater: Alcatraz, seit September 2022 von Aleksandra Poplawska geritten
Leopard S’ Fiero (* 2006), Zweibrücker Rappwallach, Vater: Fürst Heinrich, Muttervater: Diabolo, seit Mai 2024 von Angie Qin geritten
Illuminati S 2 (* 2009), brauner Bayer Hengst, Vater: Imperio 3, Muttervater: Fürst Heinrich, zuletzt im Juni 2018 von Emily Schettel im Sport eingesetzt
Sole Mio 5 (* 2004), Westfälische Rappstute, Vater: Show Star, Muttervater: Lamoureux II, zuletzt im Juli 2018 von Mara Berghäuser im Sport eingesetzt
Diamonds Forever (* 2002), dunkelbrauner Hannoveraner Wallach, Vater: Depardieu 11, Muttervater: Warkant, zuletzt im Februar 2016 von Vera Nass im internationalen Sport eingesetzt
Wanjana (* 2002), Hannoveraner Rappstute, Vater: Wolkentanz II, Muttervater: Wildfang, zuletzt im März 2013 im Sport eingesetzt
Fats Domino 13 (* 2007), brauner Hannoveraner Wallach, Vater: Fidertanz, Muttervater: De Niro[14], seit März 2022 von Enya Müller geritten
D’Espero (* 2013), Westfalen Rappwallach, Vater: De Niro, Muttervater: Sion, zuletzt im April 2022 im Sport eingesetzt
Fritz 693 (* 2013), dunkelbrauner Hannoveraner Wallach, Vater: Fürst Romancier, Muttervater: Rotspon, zuletzt im August 2020 im Sport eingesetzt