À l’instar de son frère aîné Marc, Álex Márquez intègre tout d’abord le Championnat d’Espagne 125cc en 2010 et se classe onzième en fin d’année en ayant seulement terminé trois épreuves. Lequel manque ensuite de justesse le titre Moto3™ lors de la campagne 2011. Finalement sacré en 2012, l’Espagnol participe parallèlement à ses premières courses de mondial Moto3™ avec le team Estrella Galicia 0,0 qui le titularisera dès 2013. Le pilote ibérique s’illustre au Japon et repart avec le trophée de Rookie of Year grâce à sa quatrième position au général. Ce dernier délaisse ensuite sa KTM pour une Honda, tout en continuant d’officier pour la même équipe. En cours de saison, il rattrape Jack Miller et le prive de la couronne mondiale.
En 2015, Álex Márquez grimpe alors en Moto2™. Engagé par le team Marc VDS, le Catalan connaît toutefois des débuts compliqués. Victime de chutes à répétition, il inscrit malgré tout deux quatrième places. Un an plus tard, le natif de Cervera goûte finalement aux joies de son premier podium à Aragón et trois succès arrivent dans la foulée en 2017. Contraint de manquer le GP de Saint-Marin à cause d’une blessure à la hanche, l’Espagnol termine tout de même quatrième du général ; rang qu’il conservera en 2018 avec six nouveaux Tops 3. En 2019, ce dernier rempile au sein de la même structure et s’affirme un peu plus, allant jusqu’à enchaîner cinq triomphes en six courses, qui lui permettent d’effectuer le break. Au bout du compte, la couronne s’offrira à lui en Malaisie. Il grimpe ainsi en MotoGP™ et pas dans n’importe quelle équipe, chez Repsol Honda auprès de son frère. L’adaptation prendra un certain temps, mais il termine deuxième par deux fois. 2021 lui posera en revanche plus de difficultés. Et le représentant du team LCR Castrol se montrera également à la peine en 2022.
Toutefois, les choses changent en 2023 puisque l'Espagnol enfourche la Ducati du team Gresini Racing MotoGP™. Auteur d'un excellent début de saison avec une première pole ainsi qu'un premier podiumau GP d'Argentine, le n°73 se montre régulièrement à l'avant, malgré de trop nombreuses chutes. Le natif de Cervera remportera ensuite sa première Tissot Sprint à Silverstone avant de vivre un week-end quasi-parfait en Malaisie avec un succès le samedi et une deuxième place le dimanche. En 2024, il partage le box avec son frère Marc Márquez, avec qui il s'offre même son seul podium de l'année lors du GP d'Allemagne. Le n°73 termine huitième du Championnat et espère faire encore mieux en 2025.