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 della scuderia italiana e nel 2020 lotta per il titolo, chiudendo secondo. Passa quindi alla classe regina, in sella alla Ducati del team Avintia, sempre con i colori dello Sky Racing Team VR46. Nel 2021 il miglior risultato è un quinto posto in Austria. Nel 2022 corre con il VR46 Racing Team e finisce due gare in quarta piazza. Nel 2023 sale sul podio negli Stati Uniti e in Qatar, prima di cambiare marchio e diventare ufficiale con i colori Repsol Honda. Il 2024 è una stagione di adattamento, nel 2025 chiude il campionato 13° nonostante tre round saltati a causa di un botto nei test in vista della 8 Ore di Suzuka. Nel 2026 prosegue con HRC: l'obiettivo è tornare sul podio.