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 passa alla Yamaha come compagno di squadra di Valentino Rossi e parte come un razzo: vince tre delle prime cinque gare, ma poi cala e chiude la stagione con un bronzo. Nel 2018 è in affanno ma vince in Australia. Nel 2019 parte come un diesel: un solo podio nelle prime sette gare, ma poi svolta e si prende due vittorie e altre quattro top 3. Nel 2020 parte bene, a metà stagione vince una gara ma poi si perde: a fine anno è sesto. Nel 2021, il suo quinto anno con Yamaha, vince la prima gara. Ma poi qualcosa con il team si incrina e nel bel mezzo della stagione arriva il divorzio. Partecipa agli ultimi cinque round dell’anno sull’Aprilia ufficiale e nel 2022 prosegue con il marchio di Noale. L’inizio non è dei migliori, ma poi arrivano tre podi in quattro gare e lo spagnolo ritrova il sorriso. Nel 2023 chiude settimo dopo tre podi e nel 2024 acciuffa la sua prima vittoria con l’Aprilia: diventa così uno dei pochi a essersi affermato con tre diversi marchi nella top class. A fine anno passa al team Red Bull KTM Tech3 e il suo processo di adattamento alla RC16 è rapido. Si fa vedere davanti, ma in Germania cade e si fa male. Salta diversi round e quando rientra non è ancora al top. Nel 2026 ha una missione: diventare il primo pilota a vincere per quattro diversi costruttori.