Ao conquistar suas duas primeiras vitórias na edição inaugural da Asia Talent Cup, em 2014, Ayumu Sasaki deu início a uma trajetória meteórica. No ano seguinte, ficou com o título da competição e também disputou a Red Bull MotoGP™ Rookies Cup, onde obteve sua primeira vitória. Em 2015, competiu no FIM CEV Repsol Moto3™ Junior World Championship, em Valência, conquistando um pódio logo em sua estreia. A ascensão continuou em 2016: sagrou-se campeão da Red Bull Rookies Cup e terminou em sexto lugar na Moto3™ do CEV. Após uma participação no Mundial com a Gresini Racing Moto3™, substituindo o lesionado e então candidato ao título Enea Bastianini, Sasaki passou a competir em tempo integral no Campeonato Mundial em 2017, com a SIC Racing Team, conquistando o título de Rookie do Ano. Em 2018, já com a equipe renomeada para Petronas Sprinta Racing, manteve-se no projeto e conquistou duas largadas na primeira fila, além de diversos resultados entre os dez primeiros, apesar de enfrentar dificuldades físicas. Em 2019, obteve sua primeira pole position no Mundial, mas o pódio ainda escapou, mesmo brigando frequentemente entre os cinco primeiros. Para 2020, mudou de equipe e fabricante, passando à Red Bull KTM Tech3. Após um início frustrante — incluindo duas boas corridas no Red Bull Ring sem recompensa — finalmente subiu ao pódio no GP de Aragão, com um segundo lugar. Sasaki começou 2021 com vários resultados entre os seis primeiros, mas uma forte queda no GP da Catalunha interrompeu sua evolução. Após retornar das lesões, garantiu um terceiro lugar em Aragão e encerrou o campeonato na nona posição geral. Em 2022, transferiu-se para a Sterilgarda Max Racing Team e viveu uma excelente temporada, com duas vitórias e mais sete pódios, terminando o campeonato na quarta posição. Mantendo-se com a Husqvarna, o número 71 foi considerado um dos favoritos ao título em 2023 e correspondeu às expectativas. Com presença constante no pódio ao longo do ano, terminou como vice-campeão, mesmo vencendo em Valência, e garantiu o salto para a Moto2™ em 2024, com a Correos Prepago Yamaha VR46 Team. A temporada de estreia na categoria intermediária foi de aprendizado, com um 12º lugar em Aragão como melhor resultado e sete pontos somados ao longo do ano. Em 2025, mudou-se para a RW Racing GP, marcando seus primeiros pontos em Assen e conquistando seu primeiro Top 10 no GP da Alemanha. Sasaki permanece com a RW Racing GP para 2026, entrando no segundo ano de seu contrato determinado a evoluir ainda mais na Moto2™.