Nel 2006 vince il campionato italiano Supersport under 21 e arriva secondo nell’europeo Stock 600. Contemporaneamente inizia la carriera di collaudatore per Ducati concentrandosi soprattutto sulla 1098s, moto con la quale l’anno successivo vince il Campionato del mondo Stock 1000. La Casa di Borgo Panigale gli affida il collaudo della nuova Superbike. Canepa porta avanti un ottimo lavoro che gli vale la promozione al MotoGP™. Ottiene ottimi risultati, registra tempi molto interessanti e viene così ingaggiato dal team Pramac Racing per il 2009, ha 20 anni ed è il pilota più giovane della categoria. Nell’anno d’esordio, il genovese si mette in mostra al Mugello e a Donington ma un infortunio lo costringe a concludere il campionato in anticipo. Passa alla Moto2™ vestendo i colori dello Scot Racing Team. Nel 2012 torna nel campionato Superbike ma ancora una volta un incidente lo costringe ad abbandonare la stagione prima del previsto. Riesce a recuperare anche da questo secondo infortunio e si conferma uno dei protagonisti delle derivate di serie. Dal 2016 passa al mondiale enducance dove, l’anno successivo vince tre gare su cinque del campionato e conquista la 8 Ore di Suzuka diventando il primo italiano ad ottenre questo successo. Nel 2019 si affaccia ad una nuova avventura, quella che lo vede impegnato nella Coppa del Mondo FIM ENEL MotoE™ con la squadra di Lucio Cecchinello, scuderia con la quale resta anche nel 2020. L’esordio con le moto elettriche vede il genovese terminare col nono posto.