Фатали-хан родился в 1736 году в семье кубинского хана Гусейн-Али-хана. В историческом очерке «Жизнь Фатали-хана Кубинского», опубликованном в 1847 году в газете «Кавказ» переводчиком в канцелярии Кавказского наместника Искандер-бек Гаджинским, сообщается, что "не получив никакого воспитания, он провёл молодость как обыкновенно проводят сыновья прочих ханов, т. е. в праздности, и даже однажды за какую-то шалость отец хотел подвергнуть его телесному наказанию, но он скрывался пока утих отцовский гнев".
Фатали-хан вступил на престол Кубинского ханства в 1758 году после смерти своего отца Гусейн Али-хана Шахсевана. Еще будучи наследником трона, в результате похода, обратил в вассальную зависимость от себя сальянского хана, затем во главе войска Кубинского ханства одержал блестящую победу над шекинским ханом Гаджи Челеби. Сразу после смерти Гусейн Али-хана, ширванский хан Ага-Рази-бек напал на владения Кубинского ханства, однако в битве при Шемахе его войска были разбиты Фатали-ханом, а сам Ага-Рази-бек был убит. В результате, владения Ширванского ханства были присоединены к Кубинскому ханству.
Начиная с 1768 года, в официальных документах и титулярных обращениях, Фатали-хан часто именовался «высокостепенным, высокопочтённым Дербентским, Кубинским и Шемахинским ханом».
Между тем Фатали хан женился на сестре уцмия Эмира Гамзы — Тути-бике, обещав выдать за него свою сестру Хадидже-бике. Но вопреки договору, Фатали-хан выдал свою сестру замуж за бакинского хана, что привело к конфликту между уцмием и Кубинским ханством. Кайтагский уцмий вторгся в Дербент и захватил его, Фатали-хан выступил в поход и после трёхдневной осады, разбив войска уцмия, вновь овладел Дербентом. Уцмий, желая мщения, настраивал соседних феодальных владетелей против Фатали-хана. Объединённые войска уцмия и его союзников в битве на поле Гавдушан смогли одержать победу над войском Фатали-хана, изнурённым многочисленными битвами в Ширване, Табасаране. Фатали-хан вынужден был отступить в Сальяны. Фатали-хан, находясь в Сальяне, стал создавать союз против своих врагов, вступив в переговоры даже с русской императрицей Екатериной II. Постепенно он набрал былую силу, и в 1775 году начал боевые действия против своих врагов: уцмия Эмира Гамзы, Магомед-хана Казикумыского, табасаранцев. В результате многочисленных битв, в союзе с русскими войсками, Фатали-хан одержал победу над всеми своими противниками, теперь покорность ему изъявили недавние его противники Казикумыский хан, весь Табасаран, восставшие против его власти Ширван и Кюринский округ.
Член российской Академии наук С.Г. Гмелин, проезжавший в 1772 году через владения кубинского хана, оставил сведения о хане и его власти:
После подчинения большей части всего северного Азербайджана, Фатали-хан обратил свой взор на южный Азербайджан, с целью объединения под своей властью всех азербайджанских земель, и стал готовить поход против Каджарского Ирана. В 1784 году Фатали-хан во главе большого войска, вторгся в южный Азербайджан, без боя овладел городами Ардебиль и Мешкан, местные шахсевенские ханы признали его власть. Но усиление Фатали хана, и создание им единой азербайджанской монархии, не соответствовало политическим видам Екатерины II. Потому в 1785 году Г.А. Потёмкин, специальной грамотой потребовал у Фатали-хана, роспуска войск. К тому же в это время вновь активизировались феодальные владетели Дагестана, все это вынудило Фатали-хана, отказаться от намерений создания единой азербайджанской монархии и возвратиться в Ширван.
Власть Фатали хана, распространялась кроме собственно Кубинского ханства, на ханства Ширванское, Шекинское, Дербентское, Талышское, Сальянский султанат ряд феодальных владений на юге Дагестана.
Фатали-хан прибыл к своей сестре в Баку, где умер в марте 1789 года. 30 мая генерал Текели писал Потёмкину, что близкие хана более месяца скрывали его смерть «дабы жадные и сильные соседи не расстроили владения, по наследству сыну принадлежащего». Похоронен Фатали-хан в Баку.
Фатали-хан женился на сестре кайтагского уцмия Эмира Гамзы — Тути-бике. В 1774 году он взял в жёны дочь илисуйского султана Елису-бике, а в 1776 году женился на армянке Сехер-Нас.
Свою сестру Хадидже-бике он выдал замуж за бакинского хана Мухаммад-хана; она приходится бабушкой основоположнику азербайджанской научной историографии, учёному, мыслителю и писателю Аббас Кули Ага Бакиханову. Другую свою сестру — Фатиму, Фатали-хан выдал за сына шемахинского хана Мегмед-Сеид-хана — Мемерзу.