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.
Acabó 3.º en el Campeonato por detrás de Sandro Cortese y Luis Salom.
En 2013, comienza la temporada en el Team Calvo, siendo compañero de Ana Carrasco.
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.