S’inicià en la competició en la categoria de 125 cc en la temporada 2010. El 2012 passà a competir en Moto3 amb l’equip Suter-Honda. En aquesta categoria, aconseguí la quarta plaça en el Campionat del Món del 2013 i es proclamà campió del món en la mateixa competició el 2014, després d’assolir 10 podis i 3 victòries.
L’any 2015 començà la seva trajectòria en categoria de Moto2, amb l’equip Estrella Galicia 0,0 MarcVDS, en la qual els anys 2017 i 2018 assolí una quarta posició i el 2019 es proclamà campió del món, amb 10 podis i 5 victòries.
El 2020 passà a competir en categoria MotoGP amb Honda, i des del 2023 amb una Ducati del Gresini Racing, equip amb el qual quedà segon del campionat el 2025, per darrere del seu germà Marc Márquez.