Debutta nel 2000 aggiudicandosi il titolo di ‘Rookie of the Year’ e nel 2003 in 125cc sale sei volte sul podio arrivando secondo nella classifica iridata. Passa in 250cc nel 2006 e nel 2008 arriva in MotoGP™ correndo per due anni nel team Gresini Honda e intervallando per diverse stagioni la massima categoria a quella intermedia. Nel 2013 si lega al team NGM Foward mentre nel 2014 è con Tasca Racing. A metà stagione però gli si presenta un'altra grande occasione: il ritorno in MotoGP™ nel team NGM Forward Racing in sostituzione del texano Colin Edwards. Il sammarinese si mette subito in evidenza concludendo spesso a punti. Nel 2015 è in sella alla ART del team IodaRacing, mentre nel 2017 partecipa a tre GP nella classe di mezzo. Coach e tester, nel 2019 è tra i protagonisti della MotoE™. Nel Gran Premio di casa sulla pista di Misano conquista la sua prima E-Pole. I due quarti posti ottenuti in Austria e a Valencia sono i migliori risultati stagionali chiudendo l'annata col settimo posto in classifica. Anche nel 2020 difende i colori dell'OCTO Pramac MotoE.