Prové d’una nissaga de grans pilots. S’inicià de ben petit en motocròs, en minimotos i en escúters, i debutà en el Campionat d’Espanya de 125 cc amb una Yamaha 125 GP el 1998. L’any següent participà per primera vegada en el Campionat del Món com a pilot convidat. El 2001, enquadrat dins l’equip Movistar Júnior Team, aconseguí el seu primer podi en el Gran Premi de França i fou tercer en el Mundial. El 2002 passà a 250 cc dins l’equip Telefónica Movistar i Repsol. L’any 2003 quedà tercer en el campionat, tot i ser, amb cinc victòries, el pilot amb més triomfs. La temporada 2004 passà a l’equip Fortuna Honda, amb el qual aconseguí vuit podis i una victòria, que el situaren en la quarta posició general. El 2005 feu el salt a MotoGP de la mà de l’equip Fortuna Yamaha. Un any més tard, fitxà per Honda Gresini i aconseguí la seva primera victòria parcial en la categoria. La temporada 2010 deixà la màxima categoria per passar a la recent estrenada Moto2 (antiga categoria de 250 cc). Amb l’equip Team LCR, pilotant una Moriwaki MD 600, aconseguí el Campionat del Món amb set victòries. En funció dels resultats participà en el campionat de MotoGP (2011, 2012, 2015) i de Moto2 (2012, 2013), ja amb escuderia pròpia o substituint corredors lesionats. Al final de la temporada 2015 acumulava un total de 138 participacions en grans premis del Campionat del Món, amb 17 victòries i 43 podis. Entre el 2013 i el 2014 competí en el Mundial de superbikes, on assolí la novena posició (2014).
El 2016 aconseguí el tercer lloc i el 2017 es proclamà campió de MotoAmerica, competició en què participa des del 2006.