"Fantasy" đạt thành công rực rỡ trên toàn thế giới. Đây là đĩa đơn quán quân thứ 9 của Carey tại Billboard Hot 100 Hoa Kỳ, trở thành đĩa đơn đầu tiên của một nữ nghệ sĩ ra mắt ở vị trí số 1 tại bảng xếp hạng này và là đĩa đơn thứ 2 trong lịch sử, sau "You Are Not Alone" của Michael Jackson.[2] Chiến thắng tại ngôi quán quân Billboard Hot 100 của "Fantasy" được dựa trên lượng doanh số lớn, với ước tính khoảng 229,000 bản.[10] Bài hát có 8 tuần dẫn đầu bảng xếp hạng, từ ngày 24 tháng 9 đến ngày 18 tháng 11 năm 1995, thời gian trụ hạng lâu nhất của Carey vào thời điểm đó cùng "Dreamlover" (1993).[2] Bài hát truất ngôi "Gangsta's Paradise" của Coolio và sau đó bị "Exhale (Shoop Shoop)" của Whitney Houston thay thế.[11][12] "Fantasy" có 23 tuần xuất hiện trong top 40 và đồng thời đạt thành công tại các định dạng khác của Billboard, bao gồm các bảng xếp hạng R&B và dance.[2] Lượng doanh số cao giúp đĩa đơn 2 lần đạt chứng nhận đĩa Bạch kim bởi Hiệp hội Công nghiệp ghi âm Hoa Kỳ (RIAA), trở thành đĩa đơn đầu tiên của Carey lập được thành tích này. "Fantasy" là đĩa đơn bán chạy thứ 2 trong năm 1995 tại Hoa Kỳ, với doanh số 1,500,000 bản.[13] Bài hát nằm ở vị trí thứ 7 trong danh sách Hot 100 cuối năm 1995 và vị trí thứ 49 trong năm kế tiếp.[14][15] "Fantasy" còn được liệt ở vị trí thứ 15 trong danh sách Hot 100 cuối thập niên 1990.[16]

Tại Úc, bài hát dẫn đầu bảng xếp hạng và đạt chứng nhận Bạch kim bởi Hiệp hội Công nghiệp ghi âm Úc (ARIA).[17] Tại Canada, bài hát mở đầu tại RPM Singles Chart ở vị trí thứ 95 trong ấn bản ngày 2 tháng 10 năm 1995,[18] và giành ngôi đầu bảng vào ngày 20 tháng 11 năm 1995.[19] Bài hát trụ hạng trong tổng cộng 20 tuần,[20] và xếp thứ 18 trên bảng xếp hạng cuối năm 1995 của RPM.[21] "Fantasy" còn vươn lên top 10 tại hầu hết các quốc gia châu Âu và top 20 tại bảng xếp hạng Oricon Nhật Bản.[22] "Fantasy" lần lượt đạt chứng nhận đĩa Bạc tại Pháp và Vương quốc Liên hiệp Anh bởi Syndicat National de l'Édition Phonographique (SNEP) và Công nghiệp ghi âm Liên hiệp Anh (BPI).[23][24] Theo The Official Charts Company, bài hát bán được 280.000 bản tại Vương quốc Liên hiệp Anh.[25] Bài hát còn dẫn đầu bảng xếp tại New Zealand, đồng thời đạt chứng nhận Bạch kim bởi Hiệp hội Công nghiệp ghi âm New Zealand (RIANZ).[26]