Le meilleur pilote français du moment en vitesse avec Fabio Quartararo , il est le seul Français avec deux titres mondiaux, en Moto2 en 2015 et  2016 (2eme en 125cc en 2011). Avec deux titres de champion du monde de suite en Moto2, il est aussi le premier pilote à avoir réussi ce doublé. En 2015, il est devenu le 6eme pilote français devenu champion du monde de vitesse après Jean-Louis Tournadre (250cc en 1982), Christian Sarron (250cc en 1984), Olivier Jacque (250cc en 2000), Arnaud Vincent (125cc en 2002) et Mike Di Meglio (125cc en 2008). Il compte 17 victoires en Grand Prix : 1 en 125cc (GP du Japon en 2011), 15 en Moto2 (GP d'Argentine et de Catalogne en 2015 et 2016, des Pays-Bas, de République Tchèque, de Grande-Bretagne, de San Marin, du Japon et de Malaisie en 2015, d'Italie, d'Allemagne, d'Autriche, de Malaisie et de Valence en 2016) pour la plupart en partant de la pole-position. Le 21 octobre 2023, il remporte son premier succès en MotoGP au GP d'Australie après 120 courses dans catégorie de reine. Avec 15 victoires en Moto 2, il est le 2eme pilote le plus prolifique de cette catégorie. Seul Marc Marquez a fait mieux que lui avec 16 victoires. Il a signé au total 62 podiums depuis ses débuts en championnat du monde au GP du Qatar en 2009 (11 en 125cc ; 30 en Moto2 ; 21 en MotoGP). Auteur de 27 poles (4 en 125cc, 15 en Moto2, 8 en MotoGP) et de 23 meilleurs tours (5 en 125cc, 7 en Moto2 et 11 en MotoGP) en 282 Grands Prix (dont 144 en MotoGP, le record pour un pilote français. Il est le seul pilote français à avoir remporté 8 Grands Prix dans une même saison, en 2015.

Il a quitté la Moto2 en 2017 pour la catégorie reine du MotoGP au guidon d'une Yamaha. Pour sa première course au GP du Qatar en mars 2017, il a été six tours en tête avant de chuter....un début très prometteur (5eme du championnat du monde en 2021 et 2023 ; 6eme en 2017 et 2018 ; 8eme en 2022). Il a obtenu son premier podium au GP de France en mai 2017 en terminant 2eme puis une première pole-position au GP des Pays-Bas en juin 2017. Le 4 avril 2021 au Grand Prix de Doha, il termine deuxième derrière Fabio Quartararo , signant un exploit unique dans l'histoire de la moto car jamais deux pilotes français n'avaient partagé le podium d'un Grand Prix dans la catégorie reine depuis sa création en 1954. Il a disputé son 200eme Grand Prix en championnat du monde le 18 octobre 2020. En mars 2021, il bat le record de vitesse (362,4 km/h) lors des essais libres du GP du Qatar. Vainqueur de la Red Bull MotoGP Rookie Cup en 2007. Habituellement, il fête ses victoires par un saut périlleux en arrière.

Vainqueur des 8 Heures de Suzuka en 2024 avec Honda pour une première participation. Il est  le troisième pilote français vainqueur à Suzuka après Dominique Sarron et Alex Vieira en 1989.