Fou campió d’Espanya de minimotos (1998) i participà, de la mà d’Albert Puig, en la Movistar Activa Cup (1999, 2000). Debutà en el mundial en el Gran Premi del Japó del 2001 en l’equip Honda d’Albert Puig i el 2002 ja fou el tercer en el campionat del món dels 125 cc amb tres victòries. La temporada següent, amb 17 anys, conquerí el primer títol mundial amb cinc victòries parcials, i es convertí en el segon pilot més jove que ho aconseguia. El 2004 passà als 250 cc amb Honda, amb set victòries en grans premis, que li comportaren el campionat del món i esdevingué el pilot més jove que assolia el títol. El 2005 tornà a proclamar-se campió del món dels 250 cc. L'any 2006 passà, també amb Honda a MotoGP, categoria en la qual fou segon en el campionat del món els anys 2007, 2010 i 2012, i tercer el 2008, 2009 i 2013.
Fins la temporada 2017, acumulà un total de 53 victòries en grans premis (8 en 125 cc, 15 en 250 cc i 31 en MotoGP), 153 podis (112 en MotoGP), 46 poles i 61 voltes ràpides. Al juny del 2018 finalitzà la seva vinculació amb l’equip Repsol-Honda i al mes de novembre, en finalitzar la temporada, es retirà de la competició.