L'un des rois de la moto, il fait partie des plus grands pilotes de l'histoire. Il fait partie des quatre pilotes ayant remporté le titre mondial dans trois catégories différentes après Mike Hailwood , Phil Read et Valentino Rossi .

Huit fois champion du monde : en 125cc en 2010, en Moto2 en 2012 (2eme en 2011) et en MotoGP en 2013 (dès sa première participation dans la catégorie reine; le dernier pilote ayant réussi cela fut l'Américain Kenny Roberts en 1978) à seulement 20 ans et 266 jours (ce qui fait de lui le plus jeune champion du monde de l'histoire en MotoGP) puis en 2014, 2016, 2017, 2018 et 2019 (3eme en 2015 et 2024). Avec 6 titres mondiaux dans la catégorie reine, il a dépassé des légendes telles Geoff Duke , John Surtees , Mike Hailwood et Eddie Lawson qui en comptent 4. 

89 victoires (10 en 125cc, 16 en Moto2 et 63 en MotoGP) en 268 Grand Prix (46 en 125 cc, 32 en Moto2 et 190 en MotoGP), 151 podiums (14 en 125cc, 25 en Moto2 et 112 en MotoGP), 80 meilleurs tours (9 en 125cc, 7 en Moto2 et 64 en MotoGP) et 95 poles (14 en 125cc, 14 en Moto2, 67 en MotoGP) depuis ses débuts au Grand Prix du Qatar en 2008. 467 pts marqués en Moto3, 579 pts en Moto 2 et 3 055 pts en MotoGP. En signant sa 12eme pole-position de la saison en 2014 en Australie, il rejoint Casey Stoner (en 2011) et Mick Doohan (en 1997) qui en comptent autant. Une semaine plus tard, il obtient sa 13eme pole sur le circuit de Sepang en Malaisie, le record en MotoGP en une saison. Il détient également le record de victoires en une saison au nombre de 13 en 2014 dépassant les 12 succès de l'Australien Mick Doohan en 1997. En avril 2013, il est entré dans l'histoire de son sport en devenant le plus jeune vainqueur en MotoGP, à 20 ans 2 mois et 4 jours, après sa victoire à Austin au GP des Amériques. Quatre mois plus tard, au GP de République Tchèque, il est devenu le plus jeune pilote à s'être adjugé quatre victoires de suite en MotoGP. En juillet 2014 après le GP d'Allemagne, il a une nouvelle fois marqué son sport en enchaînant neuf victoires de suite dans la catégorie reine à seulement 21 ans. Il succède ainsi au grand Mike Hailwood qui avait réussi cet exploit à 24 ans. Egalement le plus jeune pole-man de l'histoire en MotoGP, à 20 ans et 62 jours. Dans toute l'histoire du championnat du monde, aucun pilote n'avait signé autant de succès au cours d'une première saison dans la catégorie reine (6 victoires, 9 poles, 16 podiums et 11 meilleurs tours en course). Lors du GP de Qatar en 2015, il a établi un nouveau record de vitesse en course atteignant les 350,5 km/h au guidon d'une Honda. A noter qu'il est le pilote qui détient le record d'angle d'inclinaison (68°). Il a été absent pendant trois ans depuis la saison 2020 à cause des blessures et des opérations.

Son frère cadet Alex est devenu champion du monde en Moto 3 en 2014 et de Moto2 en 2019. Avec ces titres, ils ont écrit une page d'histoire en Grand Prix car c'est la première fois que deux frères ont réussi à conquérir un titre mondial et en plus la même année ! Le 15 juin 2014, il s'est imposé sur le circuit de Barcelone au même jour qu'Alex. C'était la première fois en 65 ans d'histoire que deux frères ont gagné un Grand Prix le même jour cela dans deux catégories différentes. Il court en MotoGP depuis 2020 (5 podiums, 1 pole, 2 meilleurs tours en 74 courses)