Fonseca a Desportivo das Aves együttesénél kezdett el edzősködni Portugáliában, majd a Pacos Ferreira lett az első élvonalbeli csapata, amelyet két ízben irányított, előbb 2012 és 2013 között, majd 2014 és 2015 között. Egy szezon erejéig volt az FC Porto, majd az FC Braga vezetőedzője, előbbivel portugál szuperkupát, míg utóbbival portugál kupát nyert. 2016 nyarán kinevezték az ukrán élvonalban szereplő Shakthar Donetsk edzőjének, ahol karrierje alatt a leghosszabb ideig edzősködött. Fonseca három év alatt 139 tétmeccsen irányította a Shakhtart, mellyel 3 ukrán bajnoki címet, 3 ukrán kupát és 1 szuperkupát nyert.

Ukrajna után a következő célállomás Olaszország volt: 2019 nyarán a Roma edzője lett és 102 mérkőzésen ült a római alakulat kispadján, a mérlege a csapattal 53 győzelem, 21 döntetlen és 28 vereség volt, meccsenkénti 1,76-os pontátlaggal. Az első szezonjában ötödik, míg a másodikban hetedik lett a Romával. A menesztését követően egy évig klub nélkül volt, majd 2022 nyarán munkát kapott a francia élvonalbeli Lille-nél, ahol 2024 májusáig ült a kispadon. Ezt követően a Lille ajánlata ellenére úgy döntött, hogy nem hosszabbítja meg a szerződését és igent mondott a Milan hívására.

Fonseca lett a Milan történetének első portugál nemzetiségű trénere. A portugál szakember 2027. június 30-ig szóló szerződést írt alá a Rossonerivel.