Luca Marini, halfbroer van Valentino Rossi, begon zijn carrière in de Italiaanse CIV-serie voordat hij in 2013 naar de Spaanse CEV Moto3™-serie overstapte. In 2015 maakte hij de overstap naar het Moto2™ European Championship, waar hij al snel indruk maakte met het Paginas Amarillas HP 40 Junior team. Na een reeks agressieve ritten in 2016, waarbij hij regelmatig in de top vijf eindigde, maakte hij zijn fulltime debuut in het wereldkampioenschap met het Forward Racing team, waar hij ook in 2017 bleef.
Een overstap naar het Sky Racing Team VR46 in 2018 bracht Marini zijn beste seizoen tot dan toe, met vijf podiumplaatsen, waaronder zijn eerste Grand Prix-overwinning in Sepang. Ondanks een moeilijke start vanwege een schouderoperatie presteerde hij goed in 2020, maar een ernstige crash in de Franse GP zorgde ervoor dat hij zijn titelkansen verloor en uiteindelijk als tweede eindigde in het kampioenschap.
In 2021 maakte Marini de overstap naar de MotoGP™-klasse bij Esponsorama Racing, waar hij aanvankelijk moeite had om zich aan te passen. Hij behaalde echter een front-row start in Misano en een top vijf finish in Oostenrijk. Het seizoen 2022 zag hem consistent presteren met zeven top zes finishes, maar hij miste nog steeds zijn eerste premier class podium.
Het keerpunt kwam in 2023 toen Marini zijn eerste podium in de MotoGP™-klasse behaalde op de Americas GP. Hij zou nog vier keer op het podium staan tijdens de Sprint races en nog een keer op zondag in Qatar. Voor 2024 is aangekondigd dat hij Marc Marquez zal vervangen bij Repsol Honda, waardoor hij zijn opkomst in de hoogste klasse verder voortzet.