Debutta in 125cc nel 2009 e due anni dopo è vice campione del mondo nella categoria cadetta mentre nel 2012 passa in Moto2™. Il suo anno di gloria è il 2015 quando vince il titolo della classe di mezzo. In questa stagione il francese trionfa in otto appuntamenti ed è sul podio in 14 GP. Si presenta al 2016 da campione del mondo riconfermandosi grazie a dieci podi di cui sette vittorie. Zarco diventa così il primo pilota della Moto2™ a vincere due titoli nella classe intermedia ed è il transalpino più vincente nella storia del motociclismo. Approda in MotoGP™ con Yamaha Tech3 ed è spesso in lotta per la vittoria. Sale tre volte sul podio ed è la rivelazione del 2017 vincendo il titolo di miglior rookie.

Nel 2018 replica il numero di top 3 dell’anno precedente e firma per correre per due anni da ufficiale con i colori Red Bull KTM Factory Racing. Le cose si fanno però complicate dall’inizio e dopo qualche mese il rapporto si interrompe. Il francese sostituisce così per qualche gara Takaaki Nakagami con il team LCR Honda Idemitsu. Nel 2020 è con Esponsorama Racing, in sella a una Ducati. In Repubblica Ceca sale sul podio e a fine stagione viene promosso nella scuderia Pramac Racing, con la quale vive un 2021 diviso in due parti: nella prima ottiene quattro podi e si trova in testa al Mondiale. Ma poi dei problemi fisici lo influenzano e chiude l’anno al quinto posto in classifica. Nel 2022 ottiene due pole e chiude per quattro volte nella top 3, ma la vittoria continua a sfuggirgli. La trova nel 2023 in Australia. Saluta così la Ducati con un successo prima di passare, nel 2024, al team Castrol LCR Honda. Chiude la stagione come miglior pilota HRC e nel 2025 fa ancora meglio, vincendo sulla pista di casa di Le Mans. È un risultato che entra nella storia, perché il precedente successo di un francese risaliva al 1954. Si assicura un altro podio a Silverstone e a fine anno si conferma come il miglior pilota del marchio giapponese nella classifica generale. Nel 2026 ha nel mirino nuovi orizzonti.