Márquez teki debyyttinsä ratamoottoripyöräilyn MM-sarjassa kaudella 2008, 15 vuoden ja 56 päivän ikäisenä. Kaudella 2010 Márquez ajoi suomalaisessa Ajo Motorsport -tallissa ja voitti piikkiluokan mestaruuden.[2]
Moto2
Márquez siirtyi kaudelle 2011 Moto2-luokkaan ja ajoi loppupisteissä toiseksi mestaruuden voittaneen Stefan Bradlin jälkeen. Kaudella 2012 Márquez voitti yhdeksän osakilpailua ja Moto2-luokan maailmanmestaruuden.
MotoGP
Márquezia pidetään yhtenä lajin suurimmista tulevaisuuden lupauksista. Hän siirtyi kaudeksi 2013 lajin pääluokkaan MotoGP:hen, ja korvasi Repsol Honda -tallissa uransa lopettaneen kaksinkertaisen maailmanmestarin Casey Stonerin kaksivuotisella sopimuksella.[3] Hän ajoi heti ensimmäisessä kilpailussaan Honda RC213V -pyörällä, Qatarin kilpailussa kolmanneksi ja voitti toisen kilpailun, Amerikan GP:n. Kaikkiaan hän voitti kauden aikana kuusi osakilpailua, ensimmäisen lisäksi Saksan, Yhdysvaltain, Indianapolisin, Tšekin ja Aragonian GP:t. Márquez voitti maailmanmestaruuden neljän pisteen erolla hallitsevaan mestariin, Jorge Lorenzoon.[4] Márquez rikkoi tulokaskaudellaan useita ennätyksiä. Sen lisäksi, että hänestä tuli kaikkien aikojen nuorin mestari, Márquezista tuli Yhdysvaltain kilpailun voiton myötä myös MotoGP-historian nuorin voittaja (20 vuotta 63 päivää) rikkoen yli 30 vuotta kestäneen Freddie Spencerin ennätyksen.[5] Hän ajoi myös kauden neljässä ensimmäisessä kilpailussa palkintokorokkeelle, kunnes keskeytti viidennen kilpailun. Tämän myötä Márquezista tuli Max Biaggin lisäksi toinen kuljettaja, joka on kyennyt ajamaan tulokaskaudellaan MotoGP:ssä neljässä ensimmäisessä kilpailussa palkintokorokkeelle. Kauden päätyttyä Márquez rikkoi mestarina ollessaan Freddie Spencerin toisen ennätyksen nuorimpana MotoGP-mestarina ollessaan 20 vuotta ja 266 päivää vanha, kun Spencer oli 21 vuotta 258 päivää vanha voittaessaan mestaruuden 1983 tuolloin 500-kuutioisissa myös Hondalla.[6]
Kaudella 2014 Márquez uusi mestaruutensa. Hän voitti kauden kymmenen ensimmäistä osakilpailua ja saavutti yhteensä 13 osakilpailuvoittoa.[7] Hän ajoi palkintokorokkeelle 14 kertaa, joista 13 voiton lisäksi yksi oli toinen sija Japanissa. Márquez ajoi myös paalupaikalle 13 kertaa, joista kuusi tuli kauden ensimmäimmäisissä kilpailuissa peräkkäin. Tämän jälkeen hän ajoi vielä neljästi peräkkäin paalupaikalle Saksassa, Indianapolisissa, Tšekissä ja Britanniassa. Márquez keskeytti kauden aikana vain kerran Australiassa, jossa hän kaatui kymmenen kierrosta ennen maalia.
Kaudella 2015 Márquez ajoi MM-pisteissä kolmanneksi häviten 88 pistettä mestaruuden voittaneelle Jorge Lorenzolle.[8] Hän ajoi kauden aikana kahdeksan kertaa palkintokorokkeelle, joista voittoja oli viisi. Márquez ajoi voittoon Amerikan kilpailussa, jonka jälkeen hän voitti Saksan ja Indianapolisin kilpailut peräkkäin ja myöhemmin vielä San Marinon ja Australian kilpailut. Márquez ajoi kauden aikana eniten paalupaikalle, kahdeksan kertaa ja eniten kilpailun nopeimman kierroksen, seitsemän kertaa. Hän keskeytti kuudesti, joista neljä johtui kaatumisesta, yksi teknisestä viasta, kun taas Malesiassa Márquez joitui keskeyttämään kolarin aiheuttamasta viasta.
Kaudella 2016 Márquez voitti uransa kolmannen maailmanmestaruuden MotoGP:ssä 49 pisteen erolla Valentino Rossiin.[9] Hän voitti kauden aikana viisi kilpailua Argentiinan, Amerikan, Saksan, Aragonin ja Japanin kilpailut. Márquez ajoi yhteensä kaksitoista kertaa palkintokorokkeelle, sekä eniten paalupaikkoja (7) ja eniten kilpailun nopeimpia kierroksia (4). Márquez keskeytti kauden aikana kerran, joka tapahtui Australiassa kaaduttuaan johtoasemasta. Sama virhe tapahtui myös kaudella 2014 Márquezin kaaduttua kärkipaikalta Australiassa.
Kausi 2017 alkoi Márquezilla vaihtelevasti. Hän sijoittui avauskilpailussa neljänneksi ja keskeytti heti seuraavan kilpailun Argentiinassa uljosajon myötä. Márquez onnistui kuitenkin voittamaan kolmannen kilpailun Yhdysvalloissa ja ajoi Espanjassa toiseksi. Hän keskeytti seuraavan kilpailun Ranskassa ulosajon vuoksi. Keskeytyksen jälkeen Márquez ajoi viisi kilpailua peräkkäin palkintokorokkeelle, kunnes Silverstonen kilpailussa kärsi moottoririkon. Hän ajoi tämän jälkeen kuudesta viimeisestä kilpailusta viidesti palkintokorokkeelle varmistaen uransa neljännen maailmanmestaruuten. Márquez keräsi edelliskauden tapaan 298 pistettä, kun toiseksi tullut Andrea Dovizioso hävisi mestaruuden 37 pisteen erolla.[10] Márquez ajoi kauden aikana 12 kertaa palkintokorokkeelle, joista kuusi oli voittoja. Hän ajoi kahdeksan paalupaikkaa, joista neljä tuli peräkkäisissä kilpailuissa kauden puolivälissä.