Après avoir obtenu son doctorat en médecine et son doctorat en endocrinologie à l'Université Laval, à Québec, au Canada, Fernand Labrie a poursuivi une formation postdoctorale à l'Université de Cambridge, au Royaume-Uni, d'abord au laboratoire du professeur Asher Korner, un chef de file en biologie moléculaire du stéroïde, puis au Laboratoire de biologie moléculaire du professeur Frederick Sanger, deux fois lauréat du prix Nobel de médecine du premier séquençage d’une protéine (insuline, 1958) puis du premier séquençage d’un ADN (1980). Le professeur Labrie a ensuite isolé le premier ARN messager de mammifère (hémoglobine de lapin) et obtenu sa séquence nucléotidique partielle.
À son retour à l'Université Laval en 1969, il a fondé le premier laboratoire d'endocrinologie moléculaire, qui est devenu l'un des plus importants groupes de recherche en endocrinologie au monde, avec un effectif total de 350 personnes, dont 32 scientifiques de haut niveau. De 1982 à 2008, il a été directeur scientifique du Centre de recherche CHUL (Centre hospitalier de l’Université Laval) (1 200 employés) et, à la fois, du plus grand institut de recherche médicale au Canada. De 1990 à 2002, le professeur Labrie a dirigé le département d'anatomie et de physiologie de la faculté de médecine de l'Université Laval et, de 1992 à 1995, il était président du Fonds de recherche en santé du Québec, l'organisme subventionnaire pour la recherche en santé au Québec.
Une des contributions majeures du professeur Labrie à la médecine clinique a été la découverte et le développement de la castration médicale avec des agonistes de la GnRH (hormone libérant des gonadotrophines), qui a remplacé la castration chirurgicale dans le monde entier. Cette réalisation a rapidement été suivie par la découverte et le développement de Combined Androgen Blockade (CAB), le premier traitement qui ait permis de prolonger la vie dans le cancer de la prostate. La castration médicale avec des agonistes de la GnRH et le blocage combiné d'androgènes sont devenus la thérapie hormonale standard du cancer de la prostate dans le monde entier. Il s’agit de la première association de médicaments approuvée par les autorités sanitaires, notamment par Santé Canada en 1984 et par la FDA des États-Unis en 1989. Cette découverte est à la base du développement pharmaceutique récent réussi de l’enzalutamide et de l’acétate d’abiratérone afin de bloquer l’action et formation, respectivement, des androgènes fabriqués localement dans la prostate dans le cancer de la prostate résistant à la castration.
Plus récemment, le professeur Labrie a découvert qu'une grande proportion d'androgènes et d'œstrogènes chez les femmes (100% après la ménopause) et chez les hommes sont fabriquées dans les tissus périphériques à partir de la déshydroépiandrostérone (DHEA), précurseur inactif, par les mécanismes de l'intracrinologie. La DHEA est transformée localement et intracellulairement en petites quantités d’androgènes et d’œstrogènes en fonction des besoins locaux. Ces stéroïdes sexuels sont inactivés localement, empêchant ainsi une libération biologiquement significative des stéroïdes sexuels actifs dans la circulation, avec des effets systémiques potentiellement négatifs. Le professeur Labrie et son groupe ont également découvert et développé l'antiœstrogène le plus puissant et le plus spécifique, à savoir l'acolbifène, un composé dont l'activité bloquante des œstrogènes est exclusive dans le sein et l'utérus humains.
Les résultats de la recherche du professeur Labrie sont décrits dans plus de 1340 publications scientifiques et ont été cités plus de 50 000 fois. Le Dr Labrie est le scientifique canadien le plus cité parmi toutes les disciplines de la littérature internationale. Il a reçu le prix international de médecine King Faisal et de nombreux autres prix, dont le prix Friesen de la Société canadienne de recherches cliniques, le prix Hoffenberg International Medal de la Société d'endocrinologie du Royaume-Uni en 2013 et est docteur honoris causa des universités de Caen et d'Athènes. Les bourses Dr Fernand Labrie de la Société canadienne d'endocrinologie et du métabolisme sont décernées chaque année en son honneur. De plus, à compter de 2014, le Centre de recherche en endocrinologie moléculaire, en oncologie et en génomique humaine de l'Université Laval décerne chaque année une bourse de recherche Fernand Labrie.