Nicolò Bulega commence la compétition en minimoto, avant de s’illustrer en PreGP 125 et 250 à l’échelle nationale. L’Italien reçoit alors le soutien de la VR46 Riders Academy pour courir en FIM CEV Repsol Moto3, où il s’adjuge le titre en 2015, avec un total de sept podiums. Sa réussite lui permet de décrocher un guidon en mondial Moto3™ début 2016. Le représentant du Sky Racing team VR46 y inscrit deux Tops 3, une pole position à Jerez et s’élance à trois autres reprises en première ligne. Le transalpin, classé septième du général, est reconduit au sein de la même structure pour 2017, mais ne parvient pas à confirmer. Malgré une nouvelle pole au Japon, ce dernier rétrograde en effet au 12e rang et 2018 ne sera guère mieux… Auteur d’un seul Top 10, Nicolò Bulega enregistre un total de six abandons. À cela s’ajoute une blessure domestique à la main droite qui lui fait rater les quatre dernières courses. En 2019, son équipe lui confie alors une Moto2™ plus adaptée à son gabarit, avec laquelle il se hisse quatre fois parmi les dix premiers. 2020 marque son passage chez Federal Oil Gresini, mais il ne connaît pas les résultats escomptés. Partie remise en 2021. Au cours de la saison 2025, Bulega prolonge son contrat avec Ducati pour la saison 2026 de WorldSBK et signe également en tant que pilote d'essai aux côtés de Michele Pirro en MotoGP™. L'Italien réalise un premier Test avec une machine MotoGP™ fin octobre avant de remplacer un Marc Márquez blessé aux Grands Prix du Portugal et de Valence.