Campione del mondo Moto3™ nel 2013, nel 2014 compie il passaggio nella classe intermedia con il team Paginas Amarillas; sale nove volte sul podio e fa suo titolo di ‘Rookie of the Year’. Suzuki lo ingaggia l’anno successivo. Per la seconda stagione di fila è ancora il miglior esordiente e spesso protagonista in top ten. Ancora sulla GSX-RR, nel 2016 prosegue la sua crescita come pilota della massima categoria: va a podio in Francia regalando al costruttore una terza posizione che mancava dal 2008. Continua a scrivere la storia della Casa di Hamamatsu e fa suo anche il GP di Gran Bretagna portando Suzuki alla vittoria dopo nove anni. Una stagione in ascesa quella di Viñales, chiusa al quarto posto e con altri due podi a Motegi e a Phillip Island. Nei test di Valencia inizia la sua nuova avventura sulla M1 del team Movistar e il feeling è subito grande.
Nel 2017 è uno dei candidati per la vittoria finale. Parte forte, domina i test del precampionato e vince tre GP ma si ferma al terzo posto generale. Nel 2018 è pronto a riprovarci: sale quattro volte sul podio e a Phillip Island interrompe il digiuno di successi che per Yamaha durava da oltre una stagione. Il 2019 inizia in salita ma si riscatta a Jerez arrivando terzo. Deve aspettare fino al GP di Assen per incassare la prima vittoria della stagione. Vince in Malesia e a fine anno è terzo. Nel 2020 punta al titolo ma si deve accontentare del sesto posto generale nonostante sia tra i protagonisti ogni GP. Inizia il 2021 con il team ufficiale Yamaha ma a stagione in corso si separa dalla Casa di Iwata e passa ad Aprilia. L’esordio in gara avviene in occasione del GP di Aragon. Nel 2022 difende i colori del team italiano e sale sul podio per tre volte. Resta targato Aprilia anche nel 2023: va subito a podio a Portimao, poi tra alti e bassi sale sul podio in altre due occasioni. Nel 2024 ad Austin porta al successo l'Aprilia e scrive una pagina di storia della MotoGP™: lo spagnolo ha infatti vinto con il terzo diverso marchio dopo Suzuki e Yamaha. Nel resto della stagione però non sale più sul podio. Decide di cambiare aria e per il 2025 sceglie la KTM del team Tech3: all'orizzonte c'è il successo con il quarto diverso costruttore?