Engagé en Asia Talent Cup, Ayumu Sasaki se classe quatrième de l’édition 2014, avant de s’adjuger le titre un an plus tard. Cette année-là, outre quelques apparitions en Espagne, le Japonais termine aussi troisième de la Red Bull Rookies Cup. En 2016, lequel remporte cette fois la Red Bull Rookies Cup, finit sixième du CEV Moto3 et dispute son tout premier GP en Malaisie, pour pallier l’absence d’Enea Bastianini au sein du team Gresini. La saison suivante, ses grands débuts en tant que pilote titulaire du SIC Racing Team se soldent par deux Tops 10. Cinq autres viendront s’ajouter au compteur en 2018. Mais le pilote du team Petronas Sprinta Racing se blessera aussi au poignet gauche en Aragón, ce qui l’empêchera de progresser au classement. Il connaîtra ensuite des résultats assez similaires en 2019 et migrera chez Red Bull KTM Tech3. Il y signera son tout premier podium au GP de Teruel pour grappiller quelques positions au général. Reconduit, il achèvera la campagne 2021 au neuvième rang, tout en ayant décroché une troisième place en Aragón et manqué deux manches en raison d’un traumatisme cérébral. Il officie en 2022 pour le Sterilgarda Max Racing Team, avec lequel il réalise une saison fantastique. Auteur de deux poles et neuf podiums dont deux victoires, le Japonais révèle toute l'étendue de son talent et signe la quatrième place du Championnat. Le n°71 fait office de favori à la couronne de Champion du Monde en 2023 et assume parfaitement son rôle. Constamment sur les podiums tout au long de l'année, le pilote nippon termine finalement deuxième malgré un succès à Valence et roulera en Moto2™ en 2024 sous les couleurs de Correos Prepago Yamaha VR46 Team. Sa première campagne dans la catégorie est marquée par les abandons et les arrivées en queue de peloton. Après seulement deux entrées dans les points en 2024, il signe deux top 10 en 2025 chez RW Racing GP et se classe 23e du général.