El paso natural tras ganar el CEV es debutar en el Campeonato del Mundo de Moto3™ y eso es lo que hizo Àlex Rins en 2012, temporada en la que acabaría ganando el premio al Rookie del Año. 2013 vería como Rins conseguía más podios y victorias que nadie y aspiraba al título de la categoría ligera hasta la última curva de la última carrera, pero, finalmente, Maverick Viñales se proclamaría campeón. 2014 fue un año complicado para el español a causa de una lesión, pero en 2015, ya en Moto2™, volvería a conseguir el premio al mejor debutante de la temporada al acabar 2º, por detrás de Johann Zarco. En 2016, Rins terminó 3º en Moto2™ tras luchar por el título durante todo el año antes de saltar a MotoGP™ de la mano del Team Suzuki Ecstar.
Una primera temporada plagada de lesiones que terminó con resultados positivos fue el preludio de 2018, año de confirmación del piloto barcelonés en el que sumó ni más ni menos que 5 podios en un final de temporada espectacular, donde sumó 3 podios en las últimas 4 carreras. El despegue definitivo llegaría en 2019, con su primera victoria en Austin y un nuevo triunfo en Silverstone tras un final agónico ante Márquez. El progreso de su equipo y el nuevo motor de la GSX-RR dispararon las expectativas en torno a sus opciones en un curso 2020 que arrancaría con una lesión de hombro en Jerez, circunstancia que condicionaría sus primeras actuaciones. Pese a ello, se repondría para sumar 4 podios, incluido un triunfo en Aragón y meterse en la lucha por el título antes de finalizar 3º en la general, siendo clave para el título por equipos. En 2021, al 100% físicamente, quería soñar con algo grande, pero la suerte le fue esquiva. Un duro inicio de año con varias caídas y su lesión en el radio del brazo derecho mientras rodaba en bici a las puertas del GP de Catalunya, comenzó a condenar el curso del '42', que tan solo firmaría un podio en Silverstone. Rins miraría con ambición la campaña 2022 a lomos de una GSX-RR que le permitiría situarse en el Top 2 de la general tras las cinco primeras rondas, pero un anunció inesperado afectaría al desarrollo de gran parte de su curso, que no se encauzaría hasta las rondas de Australia y Valencia. Finalmente, aquellas dos victorias permitirían a Rins terminar la temporada con una gran confianza.
Para 2023, en su temporada de debut junto al LCR Honda, Rins se adjudicaría una increíble victoria en Austin, pero el resto del año se vería muy afectado por una lesión en la pierna. Tras perderse un total de 13 carreras, Rins esperaría que la temporada 2024 le trajese mejores fortunas en un nuevo reto con el Monster Energy Yamaha MotoGP™ junto a Fabio Quartararo, pero los resultados no terminarían de ser favorables con tan solo dos Top 10 y un Top 18 en la general. El español intentaría cambiar su suerte nuevamente con Yamaha en 2025. Sin embargo, volvió a ser un año complicado para el '42', terminando entre los diez primeros en solo tres ocasiones mientras continuaba buscando el ingrediente que le permitiera luchar por el podio. Para 2026, Rins buscará dominar la nueva Yamaha V4, tratando de encontrar un buen punto de partida para su desarrollo futuro.