Inizia il suo percorso nel 2010 quando entra a far parte della struttura Monlau Competicion partecipando al Campionato Spagnolo 125cc dove, un anno più tardi, diventa vice campione. Nel 2012 conquista il titolo CEV Moto3™ con una gara d’anticipo. Parallelamente compie le prime apparizioni nel mondiale Moto3™ come wild card. Il 2013 è la sua prima stagione completa e l’affronta in sella alla KTM del team Estrella Galicia con cui conquista una vittoria spettacolare in Giappone insieme ad altri quattro podi; risultati che gli valgono il titolo di ‘Rookie of the Year’ e il quarto posto in classifica generale. Nel 2014 vince la gara di casa a Montmelo iniziando un testa a testa con l’australiano Jack Miller.
Ha la meglio, è campione e nel 2015 passa alla classe intermedia ma la stagione non decolla. Resta con la stessa squadra per i successivi quattro anni, cade spesso ma dopo ogni appuntamento acquisisce esperienza che lo porta a vincere il secondo titolo mondiale, il primo nella categoria intermedia, nel 2019. Dopo l’annuncio del ritiro di Jorge Lorenzo, per il più giovane dei Marquez si presenta la possibilità di passare in MotoGP™ sostituendo il connazionale in Repsol Honda e condividendo il box col fratello Marc.
Arriva nella massima categoria da campione del mondo in carica e fatica abbastanza nel domare la sua RC213V ma la crescita è significativa, coronata anche da due secondi posti. Per il 2021 la stessa moto, ma con i colori del team LCR. Insieme alla struttura guidata da Lucio Cecchinello porta a casa un quarto posto a Portimao come miglior risultato stagionale. Nel 2022, con i colori LCR Honda Castrol, vive una stagione complicata rientrando per quattro volte nei primi dieci. Nel 2023 una nuova avventura con la Ducati del team Gresini Racing MotoGP™. Nel 2023 lo spagnolo sale sulla GP22 di Bagnaia, vincitrice del Campionato, prendendo il posto di Bastianini nel team Gresini Racing. In Malesia arriva secondo oltre alla vittoria nella Sprint di Silverstone. Lo attende un'appassionante seconda stagione con il team guidato da Nadia Padovani: nel box come compagno di squadra ha suo fratello Marc Marquez. I due salgono insieme sul podio nel GP di Germania. Ottavo in Campionato, nel 2025 cercherà di fare ancora meglio.