Fenati desembarcó en la parrilla del Campeonato del Mundo de Moto3™ en 2012 y causó un impacto inmediato al ganar la segunda carrera del año en Jerez. Aunque dejó escapar el título de Rookie del Año, su impresionante rendimiento desató muchas expectativas sobre su talento, pero la temporada siguiente fue más complicada y terminó 10º en la general. En 2014 cambió de montura y de estructura. Pasó a pilotar una KTM en la formación auspiciada por Valentino Rossi, el SKY Racing Team VR46, donde logró 4 triunfos para terminar 5º en la clasificación final. En 2015 continuó con el mismo equipo en busca de la temporada perfecta que le permitiera optar al título, pero la falta de regularidad frustró sus expectativas. Consiguió la victoria en Le Mans, la única del año, y terminó 4º en la general. Al año siguiente siguió con la misma estructura y montura pero a mediados de temporada fue apartado del equipo por decisión interna. En 2017 terminó 2º en Moto3™ consiguiendo 3 victorias y otros 5 podios. Para 2018 subió a Moto2™ con el mismo equipo con la meta de ser el Rookie del Año, pero una sanción en Misano hasta final de temporada hizo que su futuro quedara en entredicho. La situación se aclaró de cara a 2019, cuando rubricó su regreso a Moto3™ con el Snipers Team, pese a que fue incapaz de recuperar el 'feeling' de 2017, con la salvedad de una victoria en el Red Bull Ring. Para 2020, Fenati siguió en la categoría ligera, esta vez con el Sterilgarda Max Racing Team a lomos de una Husqvarna. La regularidad volvió a ser su punto débil, pero logró conseguir una victoria en el GP de la Emilia-Romaña y una cuarta posición en MotorLand. En 2021 continuó con Max Racing y demostró su talento al conseguir 4 podios, incluida una memorable victoria en Silverstone. Tras poner de manifiesto su madurez, el italiano recibiría una oportunidad para ascender a Moto2™ con la escuadra Speed Up. Una alianza que llegaría a su fin tras disputar las primeras 6 rondas del año. Eso dejó a Fenati sin moto para el resto del curso, pero se aseguró un puesto en la parrilla de Moto3™ para 2023 con el Rivacold Snipers Team.