Zen Mitani telah terlibat dalam dunia balap sejak berusia tiga tahun. Ia mulai mengenal MotoGP saat diajak ayahnya ke Motegi, diikuti kesempatan pertama untuk mengendarai sepeda motor. Dengan dukungan keluarganya, Mitani berhasil melewati kejuaraan Jepang, akhirnya terpilih untuk mengikuti Asia Talent Cup pada 2023. Ia berhasil meraih enam podium dalam musim debutnya dan menempati peringkat kelima klasemen akhir. Pembalap Jepang itu lalu mendominasi Asia Talent Cup pada 2024. Ia mencetak tujuh kemenangan dan akhirnya mengamankan gelar juara ATC. Selama waktu ini, Mitani juga melakukan debut Kejuaraan Dunia FIM JuniorGP™ di Misano. Musim 2025, ia tampil penuh waktu. Mitani menjadi pembalap yang konsisten finis sepuluh besar pada musim keduanya, yang mana ia balapan bersamaan dengan Red Bull Rookies Cup dan mengklaim dua podium. Sepanjang musim 2025, Mitani menerima panggilan debut Kejuaraan Dunia Moto3™ saat menggantikan Nicola Carraro GP Indonesia. Pada 2026, Mitani membalap semusim penuh di Moto3™ bersama Honda Team Asia.