Si fa largo fra le derivate di serie e nel 2009 vince il titolo WorldSSP. Arriva nel paddock della MotoGP™ nel 2011 aggiudicandosi il titolo di rookie dell’anno in sella alla Yamaha M1 del team Monster Yamaha Tech3. Con la moto di Iwata firma la prima pole position e conquista il primo podio nella massima categoria prima di passare alla Ducati nel 2014. Dopo una stagione complicata, termina l’esperienza con la casa di Borgo Panigale e abbraccia il progetto Honda entrando a far parte della squadra gestita da Lucio Cecchinello. Termina il campionato all’ottavo posto. Nel 2016 tocca l’apice: vince due gare ed è il miglior pilota indipendente. Firma una pagina di storia salendo sul gradino più alto del podio a Brno e riporta così la bandiera del Regno Unito al vertice dopo 35 anni. L’ultimo prima di lui era stato Barry Sheene. Nel 2017 resta nelle posizioni di testa terminando sette volte nelle prime cinque posizioni, mentre nel 2018 torna a vincere in Argentina ed è sul podio in altre due occasioni. In un incidente in Australia si procura un grave infortunio alla caviglia destra, che mette a repentaglio la sua carriera. Nonostante i postumi del botto, torna alla grande e nel 2019 sale sul podio nel round d’apertura in Qatar. Si ripete in Germania e Australia, seppellendo così i brutti ricordi dell'anno precedente. Il 2020 è discreto, poi la svolta. Dal 2021 diventa test rider Yamaha. A metà stagione sostituisce l'infortunato Franco Morbidelli nel team Petronas Yamaha SRT per i GP di Stiria e Austria. In seguito alla separazione tra Yamaha e Maverick Vinales, entra nel team ufficiale al fianco di Fabio Quartararo, a partire dal GP britannico. Nel 2022 torna in azione nella classe regina per la parte conclusiva della stagione come pilota del WithU Yamaha RNF MotoGP™ Team, prendendo il posto di Andrea Dovizioso. Nel 2023 partecipa come wildcard al GP del Giappone, chiudendo 13°. Nel 2026, a sorpresa, torna in azione e lo fa con i vecchi amici del team Honda LCR. Sostituisce l'infortunato Johann Zarco a partire dal GP d'Italia, lottando per la zona punti. Corre anche davanti al suo pubblico di casa, nel GP di Gran Bretagna.