Desde 2015 compite en la categoría de MotoGP, resultando tercero en 2017 y 2019 con el equipo Monster Energy Yamaha.

Desde 2025 compite para con el equipo Red Bull KTM Tech3 junto a Enea Bastianini.

En la cuarta carrera de la temporada (Le Mans, Francia) logra su primera victoria y se proclama el piloto español más joven en ganar una carrera en un Campeonato del mundo.

En el último Gran Premio del año, Valencia, quedó octavo.

Acabó 3.º en el Campeonato por detrás de Sandro Cortese y Luis Salom.

Se unió a su ex rival por título de Moto3 Luis Salom en el equipo.

[8]​ Finalmente terminó la temporada en tercer lugar en el campeonato de pilotos con cuatro victorias y nueve podios.

[cita requerida] Viñales terminó tercero en su primer podio de MotoGP, en Francia.

[10]​ Ganó también la segunda carrera en Argentina con Yamaha y el GP de Francia.