Meraih dua kemenangan dalam musim perdana Asia Talent Cup 2014, Ayumu Sasaki sukses merebut gelar juara pada 2015. Pembalap Jepang itu juga berlomba di Red Bull MotoGP™ Rookies Cup dan berhasil mengemas podium tertinggi. Selain itu, ia tampil FIM CEV Moto3™ Junior World Championship di Valencia musim 2015 serta naik podium untuk pertama kalinya. Peningkatan pesatnya berlanjut pada 2016. Sasaki sukses menjadi Juara Red Bull MotoGP™ Rookies Cup dan menempati peringkat keenam di FIM CEV Moto3™. Dalam tahun yang sama itu pula, Sasaki ditunjuk oleh Gresini Racing Moto3™ untuk menggantikan Enea Bastianini yang cedera. Akhirnya pada 2017, ia membalap penuh waktu di Kejuaraan Dunia Moto3™ bersama SIC Racing Team, serta dinobatkan sebagai Rookie of the Year. Tim ini berganti nama jadi Petronas Sprinta Racing pada 2018, dan Sasaki tetap bertahan untuk musim keduanya. Meski ada kesulitan dalam hal kebugaran fisiknya, ia dapat merebut start di baris depan, serta beberapa kali finis sepuluh besar. Musim 2019, Sasaki sabet pole position. Namun, podium belum bisa digapainya. Walau begitu, ia berjuang untuk finis posisi lima besar sepanjang tahun. Untuk musim 2020, pembalap Jepang itu berpindah tim dan pabrikan, dengan membela Red Bull KTM Tech3. Setelah awal tahun yang membuat frustrasi, termasuk dua balapan hebat di Red Bull Ring yang berakhir tanpa imbalan, 'Crazy Boy' akhirnya merasakan kesuksesan podium di GP Aragon usai berhasil finis kedua. Sasaki membuka 2021 dengan beberapa kali finis enam besar, tetapi cedera yang dideritanya akibat kecelakaan parah di GP Catalunya mengganggu kemajuannya. Setelah pulih dari cedera, pembalap bernomor #71 itu mengklaim P3 di Aragon, membantunya duduki peringkat kesembilan klasemen akhir. Kepindahannya ke Sterilgarda Max Racing Team terjadi pada 2022, dan pebalap Jepang itu menjalani tahun yang luar biasa. Dua kemenangan dan tujuh podium membawanya bertenggar pada peringkat keempat secara keseluruhan. Tetap menggunakan motor Husqvarna, tetapi kini di bawah bendera Liqui Moly Intact GP, Sasaki menjadi favorit untuk gelar Moto3™ 2023. Ia konsisten naik podium sepanjang tahun. Sang pembalap akhirnya keluar sebagai runner-up usai kemenangan di GP Valencia. Beralih ke Moto2™ pada 2024 di bawah bendera Correos Prepago Yamaha VR46 Team. Tahun tersebut merupakan musim pembelajaran bagi pembalap Jepang ini, dengan hasil terbaiknyaposisi ke-12 di GP Aragon. Ia total maraud tujuh poin sepanjang musim. Kini pada 2025, Sasaki pindah ke RW Racing GP. Untuk musim 2020, pembalap Jepang itu berpindah tim dan pabrikan, dengan membela Red Bull KTM Tech3. Setelah awal tahun yang membuat frustrasi, termasuk dua balapan hebat di Red Bull Ring yang berakhir tanpa imbalan, 'Crazy Boy' akhirnya merasakan kesuksesan podium di GP Aragon usai berhasil finis kedua. Sasaki membuka 2021 dengan beberapa kali finis enam besar, tetapi cedera yang dideritanya akibat kecelakaan parah di GP Catalunya mengganggu kemajuannya. Setelah pulih dari cedera, pembalap bernomor #71 itu mengklaim P3 di Aragon, membantunya duduki peringkat kesembilan klasemen akhir. Kepindahannya ke Sterilgarda Max Racing Team terjadi pada 2022, dan pebalap Jepang itu menjalani tahun yang luar biasa. Dua kemenangan dan tujuh podium membawanya bertenggar pada peringkat keempat secara keseluruhan. Tetap menggunakan motor Husqvarna, tetapi kini di bawah bendera Liqui Moly Intact GP, Sasaki menjadi favorit untuk gelar Moto3™ 2023. Ia konsisten naik podium sepanjang tahun. Sang pembalap akhirnya keluar sebagai runner-up usai kemenangan di GP Valencia. Beralih ke Moto2™ pada 2024 di bawah bendera Correos Prepago Yamaha VR46 Team. Tahun tersebut merupakan musim pembelajaran bagi pembalap Jepang ini, dengan hasil terbaiknyaposisi ke-12 di GP Aragon. Ia total meraup tujuh poin sepanjang musim. Pada 2025, ia pindah ke RW Racing GP. Sasaki mencetak poin pertamanya di Assen, kemudian mengamankan finis 10 besar pertamanya di GP Jerman. Ia tetap bersama RW Racing GP untuk 2026.