Kallio gewann die Finnische 125cc-Meisterschaft drei Mal hintereinander und wurde zusätzlich als Nationaler Eisrennen-Meister gekrönt. In der Europäischen Meisterschaft konnte er 2001 Fünfter werden. Im gleichen Jahr gab er am Sachsenring als Wildcard-Fahrer sein Debüt in der Weltmeisterschaft und sicherte sich damit seinen Platz bei Ajo Motorsport für die kommende Saison. Mit einem elften Platz in der Gesamtwertung der 125er-Klasse wurde er zum „Rookie of the Year”. Es folgten zwei erfolgreiche Jahre mit KTM. 2005 und 2006 fuhr Kallio jeweils den Vize-Titel ein. Danach wechselte er in die 250ccm-Kategorie. Mika Kallio startete mit guten Ergebnissen in seine letzte 250ccm-Saison, so dass er die WM-Führung lange inne hatte. Allerdings reichten die insgesamt drei Siege nicht gegen Marco Simoncelli. 2009 absolvierte er mit Pramac Racing seine Rookie-Saison in der MotoGP auf der Ducati Desmosedici GP9 Sat und wurde auch dort „Rookie of the Year”. Zur Mitte der Saison ersetzte Kallio mit Erlaubnis von Pramac den pausierenden Casey Stoner im Ducati-Werksteam und kehrte danach zu Pramac zurück, wo er auch 2010 fuhr. Im Jahr darauf ging es zurück in die Moto2, wo er für Marc VDS Racing startete. Der Umstieg fiel nicht leicht, doch am Ende der ersten Saison holte er in Valencia den zweiten Platz. Auch 2012 fuhr er für Marc VDS und erzielte ein Podium. Allerdings musste er einige Enttäuschungen hinnehmen, auch wenn er konstant mit der Spitzengruppe mithalten konnte. Seinen ersten Moto2-Sieg feierte er schließlich 2013 in der Tschechischen Republik und Kallio wurde damit 2014 zu einem heißen Titelanwärter, setzte seinen Teamkollegen Esteve „Tito“ Rabat mächtig unter Druck. Kallio sammelte zehn Podeste und drei Siege. 2015 fuhr er für das Italtrans Racing Team und wollte dort seine Erfolgsserie fortführen, doch vor dem AragonGP trennten sich Kallio und Italtrans, er wechselte in das QMMF Racing Team, um bei der Entwicklung der Speed Up zu helfen. Nach Saisonende wurde Kallio von KTM als Testfahrer berufen. Im Red Bull KTM Factory Racing Team bekam er zum Saisonfinale der MotoGP™ in Valencia eine Wildcard, wo die RC16 aus Österreich zum ersten Mal unter Rennbedingungen auf der Strecke war. Mit einem elften Platz in der Gesamtwertung der 125er-Klasse wurde er zum „Rookie of the Year”. Es folgten zwei erfolgreiche Jahre mit KTM. 2005 und 2006 fuhr Kallio jeweils den Vize-Titel ein. Danach wechselte er in die 250ccm-Kategorie. Mika Kallio startete mit guten Ergebnissen in seine letzte 250ccm-Saison, so dass er die WM-Führung lange inne hatte. Allerdings reichten die insgesamt drei Siege nicht gegen Marco Simoncelli. 2009 absolvierte er mit Pramac Racing seine Rookie-Saison in der MotoGP auf der Ducati Desmosedici GP9 Sat und wurde auch dort „Rookie of the Year”. Zur Mitte der Saison ersetzte Kallio mit Erlaubnis von Pramac den pausierenden Casey Stoner im Ducati-Werksteam und kehrte danach zu Pramac zurück, wo er auch 2010 fuhr. Im Jahr darauf ging es zurück in die Moto2, wo er für Marc VDS Racing startete. Der Umstieg fiel nicht leicht, doch am Ende der ersten Saison holte er in Valencia den zweiten Platz. Auch 2012 fuhr er für Marc VDS und erzielte ein Podium. Allerdings musste er einige Enttäuschungen hinnehmen, auch wenn er konstant mit der Spitzengruppe mithalten konnte. Seinen ersten Moto2-Sieg feierte er schließlich 2013 in der Tschechischen Republik und Kallio wurde damit 2014 zu einem heißen Titelanwärter, setzte seinen Teamkollegen Esteve „Tito“ Rabat mächtig unter Druck. Kallio sammelte zehn Podeste und drei Siege. 2015 fährt er für das Italtrans Racing Team und will dort seine Erfolgsserie fortführen. Vor dem AragonGP trennten sich Kallio und Italtrans, er wechselte in das QMMF Racing Team, um bei der Entwicklung der Speed Up zu helfen.