１９９３年２月１７日生まれ（２０１９年開幕時の年齢は２６歳）。出身地は、スペイン・カタルーニャ州リェイダ県のセルベーラ。４歳の時に初めてバイクに乗り、５歳からカタルーニャ州で開催されたエンドゥーロとモトクロスのレースに参戦。２年後にモトクロスのカタルーニャ選手権でタイトルを獲得すると、翌年の２００２年にロードに転向。２００４年に同郷リェイダ県出身の１９９９年１２５ｃｃクラス王者エミリオ・アルサモラに出会い、本格的にレース活動を開始。１年目のカタルーニャ選手権１２５ｃｃクラスでは、ポル・エスパルガロに続いて、総合２位に進出すると、２年目と３年目にタイトルを獲得。
２００６年からはスペイン選手権１２５ｃｃクラスに参戦。１年目は総合８位、ホンダからＫＴＭに乗り換えた２年目は、第３戦ヘレス大会で初優勝を飾ったが、シーズンを通して、導入された重量制限の規定に苦戦し、総合９位に後退。
２００８年、ティト・ラバットのチームメイトとして、レプソル・ＫＴＭから初参戦。プレシーズンのオフィシャルテストで右前腕を骨折したことから、序盤２戦を欠場。当時のエントリーリストの中で最も小柄な身長１４８センチ、最軽量の体重４０キロだったことから、最低重量を満たすために約２０キログラムのバラスト（重量物）をバイクとツナギに積み込んで第３戦ポルトガルＧＰでデビューすると、第４戦中国ＧＰで１２位に入り、史上最年少４番目となるポイント圏内に進出。第８戦イギリスＧＰでは３位に入り、史上最年少２番目となる表彰台を獲得（１５歳と１２６日）。
１年目でＫＴＭ勢の最高位（総合１３位）に進出した成績が評価され、２００９年はファクトリーチーム、レッドブル・ＫＴＭ・モトスポーツから参戦して総合８位に浮上。
２０１０年、ＫＴＭの撤退に伴い、アジョ・モータースポーツに移籍。デルビに乗り換えると、第４戦イタリアＧＰで初優勝を挙げた勢いに乗って、史上最年少の５連勝を達成。第１７戦ポルトガルＧＰでは、雨天中断後のサイティングラップで転倒を喫したことから、ピットに戻ってマシンの修復を強いられ、最後尾の１６番グリッドからスタートしたが、１５人を抜いて年間１０勝目、１２度目の表彰台を獲得。
最終戦バレンシアＧＰでエスパルガロ弟、ニコラス・テロールとのタイトル争いを制し、史上２番目となる最年少王者（１７歳と２６４日）に輝いた。
２０１１年、マルケスのために結成されたチーム・カタルーニャ・カイシャ・レプソルから中量級に参戦。開幕から３戦連続の転倒を喫したが、第４戦フランスＧＰで初優勝を飾ると、第９戦ドイツＧＰでは１９歳以下の最多優勝となる通算１４勝目を達成。第１７戦マレーシアＧＰのフリー走行１で転倒を喫した際に左目の視力障害に見舞われたことから、残り２戦の欠場を強いられ、２年連続の２クラス制覇を逃したが、新人王と２年連続のプライベートライダーに選出。
２０１２年、開幕直前のオフィシャルテストで視力回復を確認。準備が整わない状態で迎えた開幕戦カタールＧＰで優勝を挙げると、第１１戦インディアナポリスＧＰでは２０歳以下の最多勝記録を更新する２２勝目。第１７戦オーストラリアＧＰで、年間１３度目の表彰台を獲得し、中量級において史上３番目となる最年少王者（１９歳と２５４日）に輝く。
チャンピオンとして凱旋した最終戦バレンシアＧＰは、フリー走行のアクシデントにより、ペナルティが科せられ、最後尾３３番グリッドからスタートしたが、史上最多となる３２つのポジション奪取で年間９勝目、Ｍｏｔｏ２クラスで最多勝となる１６勝目を達成。同時に故・加藤大治郎が２００１年に樹立した中量級の年間最多獲得ポイント（３２２ポイント）を更新する３２４ポイントを獲得した。
２０１３年、新規参戦者のファクトリーチーム加入が解禁となった後、２０１２年７月２日にＨＲＣとの間で２年契約を締結してレプソル・ホンダから最高峰クラスに参戦すると、開幕戦カタールＧＰで３位に入り、史上最年少の表彰台とファーステストラップ（２０歳と４９日）を記録。
新設のサーキット・オブ・ジ・アメリカズで初開催された第２戦アメリカズＧＰでは、史上最年少のポールポジション獲得（２０歳と６２日）、フレディ・スペンサーが１９８３年に樹立した史上最年少優勝（２０歳と６３日）を３０年振りに更新。
第３戦スペインＧＰで史上最年少の３戦連続表彰台（２０歳と７７日）。第１１戦チェコＧＰでマイク・ヘイルウッドが１９６２年に樹立した史上最年少の４連勝（２０歳と１８９日）を５１年振りに更新。第１２戦イギリスＧＰで新人の年間最多表彰台獲得ポイントを更新。第１４戦アラゴンＧＰで新人の史上最多勝となる６勝目を達成。
タイヤの耐久性を考慮した安全面の特別処置により、新品タイヤを装着したマシン乗り換えが義務付けられた第１６戦オーストラリアＧＰでは、ピットインのタイミングを誤認したことから失格となったが、最終戦バレンシアＧＰで年間１６度目の表彰台を獲得。スペンサーが樹立した史上最年少王者（２０歳と２６６日）を更新し、ケニー・ロバーツ以来となる新人のタイトル獲得、ハイルウッド、フィル・リード、バレンティーノ・ロッシに続く、４人目の３クラス制覇に成功。
２０１４年、開幕戦カタールＧＰでポール・トゥ・フィニッシュを決めると、第１０戦インディアナポリスＧＰでヘイリウッドが１９６４年に樹立した最年少の１０連勝（２１歳と１７４日）を更新。同時に１９７０年のジャコモ・アゴスチーニ以来２人目となる開幕からの１０連勝、１９９７年のミック・ドゥーハン以来５人目となる１０連勝を達成。
第１５戦日本ＧＰで２位に入り、史上最年少の２連覇により、ホンダのライダーとしては初めてホームのツインリンクもてぎでタイトル獲得に成功。最終戦バレンシアＧＰでは、１３勝目を挙げて年間最多勝を更新。
２０１５年は、第１０戦インディアナポリスＧＰでホンダに通算７００勝目をもたらし、第１６戦オーストラリアＧＰでは、史上８人目となる通算５０勝目に到達したが、開幕戦のコースアウトをはじめ、第３戦アルゼンチンＧＰの接触転倒や第６戦イタリアＧＰの転倒などリタイアが相次ぎ、総合３位に後退。
２０１６年は、タイトル連覇に失敗した経験を教訓とし、確実にポイントを稼ぐことに専念して表彰台を連取。第１５戦日本ＧＰで年間５勝目を挙げ、２年振りとなるタイトル奪回に成功。
２０１７年は、第３戦アメリカズＧＰと第９戦ドイツＧＰで５年連続のポール・トゥ・ウインを達成するなど、６勝を含む１２度の表彰台を獲得し、最終戦バレンシアＧＰで２年連続４度目、通算６度目のタイトルを獲得。第１５戦日本ＧＰでは、史上最年少となる通算１００度目の表彰台（２４歳と２４０日）を獲得。
２０１８年は、第３戦アメリカズＧＰと第９戦ドイツＧＰで６年連続優勝、初開催の第１５戦タイＧＰで史上最年少となる５０度目のポールポジション（２５歳と２３１日）から優勝、第１８戦マレーシアＧＰで史上５人目となる通算７０勝目を達成。
第１６戦日本ＧＰの優勝で、最高峰クラス４人目となる５度目のタイトル、チャンピオンシップ史上８人目となる通算７度目のタイトル獲得に成功。
フル参戦１２年目、最高峰クラス７年目の２０１９年は、２０１８年２月２６日に契約期間を２年延長したＨＲＣのファクトリーチーム、レプソル・ホンダから継続参戦。
１９年シーズンに向けて、１２月４日に脱臼癖があった左肩を手術。プレシーズンのオフィシャルテストで転倒を回避しながら準備を進めると、開幕戦カタールＧＰで２年連続の２位。第２戦アルゼンチンＧＰで３年ぶりに優勝すると、第３戦アメリカズＧＰでトップ走行中に転倒リタイアを喫したが、ヨーロッパラウンドの緒戦、第４戦スペインＧＰで２年ぶりの優勝を挙げて、ポイントリーダーに飛び出すと、キャリア通算２００戦目となった第１４戦アラゴンＧＰで８勝目、第１５戦タイＧＰで９勝目を挙げ、４年連続６度目、キャリア通算８度目のチャンピオンに輝いた。