Fratellastro di Valentino Rossi, il giovane di Urbino si fa le ossa nel CIV. Nello stesso anno arriva la sua wild card in Moto3™ a Misano per poi passare, nel 2015, al Campionato Europeo Moto2™. Una serie di ottime gare gli consente di terminare al quinto posto. Il 2016 è l'anno del suo debutto come pilota a tempo pieno nel Campionato del Mondo Moto2™ vestendo i colori del team Forward Racing. Dopo una stagione nel segno delle buone prestazioni è riconfermato per quella successiva. Nel 2017 è vittima di qualche infortunio ma è competitivo e l'ottima crescita gli permette di vestire i colori dello Sky Racing Team VR46 a partire dal 2018. È la conferma con quattro podi e la vittoria a Sepang.

Nel 2019 è la punta di diamante della scuderia italiana così come nel 2020 dove si mette in luce nella lotta per il titolo iridato. A fine campionato è secondo ma gli basta per garantirsi il passaggio nella classe regina in sella alla Ducati del team Avintia, sempre con i colori dello Sky Racing Team VR46. Il 2021 gli regala un quinto posto in Austria come miglior risultato. Nel 2022 lo attende la seconda stagione consecutiva nella classe regina con il VR46 Racing Team: come migliori risultati ottiene due quarti posti. Nel 2023 è ancora in sella alla GP22: nel GP delle Americhe conquista il suo primo podio in top class, poi si regala quattro podi nelle Sprint e un altro nella gara lunga in Qatar. Nel 2024 prende il posto di Marc Marquez nel team Repsol Honda e attraversa un'annata di adattamento alla RC213V del team ufficiale. Nel 2025, forte dell'esperienza maturata, cercherà di concretizzare di più.