Rok później wygrał w swej koronnej konkurencji na mistrzostwach świata w Mendrisio.
W 2010 ponownie wygrał wyścig Paryż-Roubaix. Po tym zwycięstwie plotkowano o obecności w jego rowerze elektrycznego silnika, gdyż po zmianie roweru, co oznaczało pozostanie kilka sekund za grupą, w której jechał, w ciągu zaledwie kilku sekund doszedł „grupkę Toma Boonena”, a zaraz potem bez problemu od niej odjechał. W tym samym roku po prologu w Rotterdamie po raz kolejny zdobył żółtą koszulkę lidera Tour de France. Na trzecim etapie jako lider wyścigu zorganizował strajk kolarzy demonstrując dyrektorom wyścigu, że trasa była za trudna (na trasie doszło do wielu kraks; w wyniku jednej z nich musiał wycofać się jeden z faworytów wyścigu – Fränk Schleck). Wiązało się to z utratą koszulki lidera na rzecz Sylvaina Chavanela. Cancellara odzyskał ją na następnym etapie, ponieważ Chavanel borykał się z wieloma defektami. Fabian dojechał w pierwszej grupie i oprócz odzyskania żółtej koszulki wyprowadził także swojego kolegę z drużyny Andy'ego Schlecka na dobrą pozycję wyjściową do walki o zwycięstwo w klasyfikacji generalnej. Na tym wyścigu zdołał jeszcze wygrać czasówkę z ogromną przewagą nad trzecim Bertem Grabschem. Drugi Tony Martin stracił do niego 17 sekund. W tym samym roku Szwajcar wystartował także w Vuelta a España, lecz podczas 19.