Livio Loi commence sa carrière en 2006 dans le cadre du Championnat belge de Pocketbike Junior A où il termine premier. Il remporte aussi le titre Junior B en 2009, puis le Championnat de Belgique Mini-GP, ainsi qu’un trophée de vice-Champion d’Europe en Pocketbike Junior B. Sur sa lancée, lequel décroche une sixième place lors des finales World Honda NSF à Albacete. En 2011, il se classe ensuite troisième de la Honda Moriwaki GP3 Junior Cup aux Pays-Bas et quatrième du Trophée Moriwaki 250cc 4-temps en Italie. Après un passage par la Red Bull MotoGP Rookies Cup et le CEV, ce dernier intègre finalement le mondial Moto3™ en 2013. Engagé par le team Marc VDS Racing, le Belge inscrit des points à plusieurs reprises. Remplacé au cours de la saison 2014, Livio Loi revient en Moto3™ un an plus tard et le pilote RW Racing GP triomphe à Indianapolis en faisant le pari de rouler en slicks sur une piste qui finit par sécher. Reconduit pour une seconde année, il ne parviendra pas à faire mieux que cinquième en Australie. Leopard Racing le recrute alors et malgré une fracture de la clavicule qui lui fait rater deux épreuves, le Belge atteint le 13e rang du général avec un podium au compteur. En 2018, il évoluera sous les couleurs du Reale Stylobike.