Em 2015, conquistou o Campeonato Italiano na classe PreMoto3 250cc quatro tempos. No mesmo ano, passou a integrar a Academia de Valentino Rossi, permanecendo ainda no Campeonato Italiano. No ano seguinte, competiu na classe Moto3 do CIV. Em 2017, disputou o FIM CEV Repsol e o Campeonato Mundial Júnior com a equipe Sky Racing Team VR46 Junior. Na temporada seguinte, estreou no Campeonato Mundial de Moto3™ substituindo o lesionado Nicolò Bulega e chamou atenção logo de cara ao conquistar seu primeiro pódio em Phillip Island, apenas na segunda corrida. Em 2019, somou três pódios e encerrou seu ano de rookie na sexta posição geral. Em 2020, manteve a evolução, venceu suas primeiras corridas no Mundial e, com novos pódios no currículo, terminou o campeonato em quinto lugar. Em 2021, estreou na Moto2™ e, na segunda metade da temporada, conquistou três resultados consecutivos entre os seis primeiros. Em 2022, começou forte, com duas vitórias e dois pódios nas cinco primeiras corridas, além de outra vitória no GP da Catalunha. No entanto, a segunda parte da temporada foi abaixo das expectativas, e o italiano saiu gradualmente da disputa pelo título após acumular vários abandonos. A temporada 2023 trouxe uma renovada esperança com as cores da Fantic Motor. Vietti se apresentou como um dos favoritos ao título e assinou algumas performances marcantes, como no Red Bull Ring, encerrando o ano na décima posição do campeonato. Para 2024, transferiu-se para a Red Bull KTM Ajo, com a qual conquistou três vitórias e terminou o campeonato em sétimo lugar. Em 2025, passou a competir pela SpeedUp, utilizando o chassi Boscoscuro.