Danilo Petrucci menjuarai Kejuaraan Nasional Superstock 2011 di Italia, serta menjadi Runner-Up di FIM Superstock 1000 Cup pada tahun yang sama. Seorang test rider untuk proyek Superbike Ducati, 'Petrux' kemudian pindah ke MotoGP™ pada 2012 bersama IodaRacing Project. Dalam musim keduanya di kelas premier, pembalap Italia itu mencetak poin sebanyak 11 kali, dan setelah pulih dari cedera pergelangan tangan, Petrucci hijrah ke Octo Pramac Yakhnich. Ia lalu raih podium pertamanya di Silverstone 2015. Pada 2016, performanya terhalang oleh cedera, namun pebalap Italia itu tunjukkan performa terbaik. Tetap perkuat Pramac, Petrucci mendapat Ducati Desmosedici GP17, satu-satunya pembalap non-pabrikan Ducati yang kendarai motor baru. Tahun 2017 adalah musim penuh terobosan, dengan banyaknya podium, dan terkadang, ancaman terhadap kemenangan. Petrucci bertahan di Pramac untuk 2018 dan sekali lagi tampil apik, yang antarkannya ke kursi tim pabrikan Ducati pada 2019. Ia memulai kariernya sebagai pembalap pabrikan Ducati dengan mengesankan. Bukukan kemenangan di Mugello, dilanjutkan dua kali P3 di Le Mans dan Catalunya. Namun, akhir musim yang sulit membuat Petrucci merosot peringkat keenam dalam klasemen. Tahun 2020 terbukti menjadi musim penuh tantangan baginya. Kesulitan temukan kecepatan secara konsisten jadi penantang posisi teratas, meski masih mampu amankan kemenangan saat balapan basah di Le Mans. Pada akhirnya, ia harus puas peringkat ke-12 klasemen akhir. Setelah setahun di Red Bull KTM Tech3 pada 2021, ia meninggalkan MotoGP™ dan menjadi pemenang etape Reli Dakar, sebelum bersatu kembali dengan Ducati di MotoAmerica. Musim 2022, Petrucci kembali ke MotoGP™ di akhir musim, ketika dipanggil oleh Team Suzuki Ecstar untuk gantikan Joan Mir yang cedera. Kemudian, pada 2023, pembalap Italia itu kembali menduduki kursi pabrikan Ducati di Le Mans sebagai pembalap pengganti Enea Bastianini yang cedera.