2003 hatte Sergio Gadea vier Wildcardeinsätze in der Motorradweltmeisterschaft. In seiner ersten vollen Saison in der 125cc-Weltmeisterschaft konnte er 19. werden. 2005 zeigte der Spanier seine hohen Ambitionen und holte seinen ersten Podestplatz beim Rennen in Frankreich.

Mit fünf weiteren Podestplätzen in der Saison 2006 und dem fünften Platz in der Gesamtwertung bewarb sich Gadea für 2007 als einer der Titelkandidaten. Diese Annahme wurde durch seinen Sieg in Le Mans und seinem zweiten Platz in Mugello unterstrichen. Jedoch konnte der Aspar-Fahrer nicht mit seinen Teamkollegen Hector Faubel und Gabor Talmacsi – der später Weltmeister wurde – mithalten.

Gadea fuhr aber dennoch auch 2008 für das Aspar-Team auf einer Aprilia und wurde wiederum als einer der Titelkandiaten neben Talmacsi gehandelt. Gadea konnte auch das erste Rennen der Saison gewinnen, das erste Nachtrennen in der Geschichte der Motorradweltmeisterschaft in Katar, aber seine Form fiel damach rapide ab und er beendete die Saison außerhalb der Top-10. 2009 fährt Gadea bei Aspar, mit den neuen Teamkollegen Bradley Smith und Julian Simon.

2009 fuhr Gadea seine sechste volle Saison in der Motorradweltmeisterschaft neben Bradley Smith und Julian Simon. Während seine Teamkollegen an der Spitze um den Titel kämpften, schaffte Gadea fünf Podestplätze, davon ein Sieg in Assen und kam in der Gesamtwertung auf Rang neun.

In dieser Saison fährt Gadea für Pons Kalex in der Moto2 neben Axel Pons.