Mattia Pasini ambil bagian dalam Kejuaraan Dunia kategori125cc pada 2004. Ia tampil mengesankan pada musim debutnya dan mengemas peringkat lima besar selama tiga musim berikutnya. Pasini lalu naik ke 250cc pada 2008, menempati peringkat kedelapan secara keseluruhan, serta peringkat kelima di Kejuaraan tahun berikutnya. Ia direkrut oleh tim JiR Moto2 untuk 2010, tetapi berpisah dengan tim tersebut setelah putaran Assen. Pasini kemudian mengikuti dua balapan lagi untuk tim lain pada 2010, dan mengamankan tumpangan dengan Ioda Racing Project untuk 2011. Musim 2012 menjadi saksi pembalap Italia itu promosi ke MotoGP™ bersama tim Speed Master yang mengendalikan usaha CRT mereka, lalu mengisi posisi Forward Racing di Moto2™ pada balapan terakhir. Ia tetap bersama tim itu untuk 2013 dan 2014. Serangkaian hasil yang beragam membuatnya tidak memiliki kursi balap pada 2015, meskipun ia membuat dua penampilan wildcard di Mugello dan Misano. Pada 2016, Pasini kembali ke Kejuaraan Dunia, lagi-lagi dengan Kalex, dan meraih beberapa hasil impresif bersama Italtrans Racing Team, tempat ia bertahan hingga 2017. Cetak kemenangan gemilang di Mugello dan serangkaian podium, serta pole position membawanya bertahan dengan tim yang sama pada 2018. Namun, setahun berikutnya, ia kehilangan kursi balap. Walau begitu, Pasini beberapa kali tampil dalam sejumlah balapan Moto2™ dari 2019 sampai 2024 sebagai wildcard atau pembalap pengganti. Musim ini, sosok pembalap veteran itu kembali ke paddock Kejuaraan Dunia Moto2™ untuk wildcard bersama Fantic Racing di Brno dan Red Bull Ring.