Laureato in medicina e chirurgia all'Università Cattolica del Sacro Cuore, è ricercatore universitario in Medicina interna (SSD MED/09) all'Università Cattolica di Roma presso il Policlinico Gemelli, consigliere di amministrazione dell'Istituto Superiore di Prevenzione e Sicurezza sul Lavoro e dell'Istituto Superiore di Sanità.
Durante la sua giovinezza entrò nel movimento giovanile della Democrazia Cristiana e divenne attivo nell'Associazione Guide e Scouts Cattolici Italiani (AGESCI). Divenne in seguito segretario della Dc di Viterbo e fu eletto prima consigliere comunale e poi consigliere provinciale. Nel 1989 fu eletto sindaco di Viterbo e rimase a Palazzo dei Priori fino al 1995.
Nel 1996 venne eletto deputato, sostenuto da alcuni partiti centristi che appoggiarono L'Ulivo e divenne il responsabile nazionale per il settore Sanità del Partito Popolare; nel 1999 venne nominato segretario organizzativo.
Nel 2001 confermò il suo seggio alla Camera dei deputati e fece parte del gruppo parlamentare della Margherita. Venne eletto con il sistema proporzionale nella circoscrizione XXVI (Sardegna) e nella XIV Legislatura ha fatto parte della XII commissione Affari sociali. All'interno della Margherita, Fioroni ha guidato il Dipartimento delle Politiche della Solidarietà e, in seguito al Congresso di Rimini, è stato nominato responsabile del Dipartimento Enti locali.
Dal 1999 al 2004 è stato consigliere comunale nel paese di Villa San Giovanni in Tuscia.
Al termine delle elezioni politiche del 2006 è stato rieletto per la terza volta alla Camera.
Il 17 maggio 2006 è stato nominato Ministro della Pubblica Istruzione del secondo governo Prodi; è, a tutt'oggi, l'unico viterbese ad aver guidato un dicastero nella storia della Repubblica.
Dal 23 maggio 2007 è uno dei 45 membri del Comitato nazionale per il Partito Democratico che riunisce i leader delle componenti del futuro PD.
Ha svolto numerosi incarichi all'interno del Partito Democratico. Dal 9 maggio 2008 al 21 febbraio 2009, durante la segreteria di Walter Veltroni, riveste il ruolo di coordinatore dell'area organizzazione del PD. Durante la segreteria di Dario Franceschini è invece responsabile del dipartimento Educazione. Attualmente è coordinatore del Forum sul Welfare del PD.
Insieme a Dario Franceschini ha fondato Quarta Fase, l'organizzazione che raccoglie i popolari del Partito Democratico.
