S’inicià en enduro i motocròs al final de la dècada de 1990, però aviat passà a la velocitat amb les copes de promoció del Reial Automòbil Club de Catalunya. Participà en nombroses competicions en categories juvenils i, de la mà d’Emili Alzamora, el 2005 i 2006 fou campió de Catalunya de 125 cc. A quinze anys aconseguí la primera victòria en el Campionat d’Espanya. L’any 2008 debutà en el Mundial de velocitat al Gran Premi de Portugal, i poc després fou tercer, el seu primer podi, en el Gran Premi de la Gran Bretanya de 125 cc, i amb quinze anys es convertí en el pilot més jove de l’Estat espanyol en aconseguir una posició guanyadora. El novembre del 2010 es proclamà campió del món de la categoria de 125 cc al circuit de Xest amb l’escuderia Derbi, amb 10 triomfs i 12 pole-positions, i esdevingué el pilot amb més poles en una temporada de la història dels 125 cc, i el segon campió del món més jove de la història del Mundial de motociclisme.
El 2011 passà a la categoria de Moto2, en l’equip CatalunyaCaixa-Repsol, i aconseguí la segona plaça al Campionat del Món. L’any següent es proclamà campió del món de la categoria amb 9 victòries al llarg de la temporada. El 2013 passà a la categoria de MotoGP i, amb Honda, guanyà el Campionat del Món al circuit de Xest, victòria que el convertia en el pilot més jove de la història en guanyar la competició. L’any 2014 revalidà aquest títol al circuit de Motegi (Japó), amb tretze victòries durant la temporada, i guanyà el premi Laureus a l’esportista revelació de l’any anterior. El 2015 quedà tercer del Mundial, i revalidà el títol de campió del món de MotoGP els anys 2016, 2017, 2018 i 2019.
El gener del 2018 guanyà el premi al millor esportista català de l’any 2017 de la Unió de Federacions Esportives Catalanes (UFEC) i el diari Sport.