Luca Marini, adik tiri Valentino Rossi, mengakhiri kejuaraan CIV Moto3 2013 pada peringkat keempat dengan catatan enam podium. Ia lalu berlomba dalam CEV Moto3 pada 2014, sebelum promosi ke CEV Moto2 European Championship bersama Paginas Amarillas HP 40 Junior. Hanya butuh tiga balapan, Marini berhasil posisi kedua. Ini kemudian diikuti raihan peringkat kelima klasemen akhir, yang mana ia jadi pesaing reguler lima besar. Pada 2016, pembalap Italia itu lakoni debut Kejuaraan Dunia dengan Forward Racing. Ia membalap bersama rekan kompatriot dan sesama anggota VR46 Riders Academy, Lorenzo Baldassarri.

Pindah ke Sky Racing Team VR46 untuk 2018 menandai tahun terbaik Marini di kelas Moto2™. Ia raih lima podium, termasuk kemenangan perdananya di Grand Prix Malaysia. Namun, operasi bahu pada libur musim, membuatnya alami awal sulit pada 2019. Kendati demikian, ia mampu klaim posisi kedua di Mugello, serta cetak kemenangan di Buriram dan Motegi.

Marini sekali lagi menjadi salah satu favorit untuk merebut mahkota Moto2™ pada 2020 bersama Sky Racing Team VR46. Tetapi sayang, kecelakaan parah saat Kualifikasi GP Prancis berdampak buruk. Finis P17, sekaligus memupus peluangnya dalam perebutan gelar. Meski berjuang lewati cedera dan amankan P2 di Portimao, Marini akhirnya harus puas runner-up pada klasemen akhir.

Sebagai salah satu pembalap muda paling menjanjikan dalam MotoGP™, Marini promosi ke kelas utama dan tandem dengan Enea Bastianini, Juara dunia Moto2™ 2020, di Esponsorama Racing pada 2021. Sempat kesulitan kendarai motor MotoGP, tetapi ia dapat mengatasinya. Start barisan depan dalam balapan kandang Misano dan finis lima besar di Austria. Pembalap Italia itu menunjukkan konsistensi yang baik dengan finis di posisi enam besar dalam tujuh kesempatan berbeda, namun, meski melewati garis keempat sebanyak dua kali, podium debut di kelas premier masih gagal diraihnya.

Namun, ia tak perlu menunggu lama. Untuk pertama kalinya, Marini klaim podium di GP Amerika 2023, dan kemudian mengantongi empat podium Sprint serta satu lagi podium pada balapan GP Qatar. Musim 2024, pembalap bernomor #10 ini bergabung dengan Repsol Honda Team. Awal tahun diwarnai perjuangan keras untuk mendulang poin. Tetapi kerja kerasnya mulai terbayar seiring berjalannya Kejuaraan. Marini mencatatkan dua kali finis terbaik P12 di GP Emilia-Romagna dan GP Thailand, raihan positif demi menyambut 2025 bersama pabrikan Jepang.