Débutant en 2001 sur le circuit Future, Florian Mayer remporte ses premiers tournois en 2003 : un Future en Espagne et un Challenger à Saint-Pétersbourg. Mais c'est surtout l'année suivante qu'il se révèle, atteignant les quarts de finale à Wimbledon, pour son troisième tournoi du Grand Chelem. Il bat au premier tour en trois tie-breaks le grand serveur Wayne Arthurs no 96 (7-64, 7-65, 7-64) puis au deuxième le joueur plus à l'aise sur terre battue Guillermo Coria no 3 (4-6, 6-3, 6-3, 6-4). Viennent ensuite Wayne Ferreira no 82 et Joachim Johansson no 43. En quart de finale, il perd contre Sébastien Grosjean no 13 mondial (5-7, 4-6, 2-6).
2005-2008 : Confirmation difficile et premières blessures
En janvier 2005, il subit une défaite cinglante au premier tour à l'Open d'Australie, contre James Blake (1-6, 2-6, 0-6), mais passe deux mois plus tard trois tours au Masters 1000 de Miami, où il ne perd qu'en huitièmes de finale contre Taylor Dent (3-6, 4-6). Il enchaîne ensuite les défaites au premier ou deuxième tour des tournois auxquels il s'aligne, jusqu'à un troisième tour à Wimbledon perdu contre Juan Carlos Ferrero (6-3, 2-6, 1-6, 1-6). En août, il parvient en finale à Sopot, après une victoire sur Guillermo Coria (6-4, 5-7, 6-3), alors no 9 mondial et spécialiste de la terre battue. Il perd toutefois son dernier match contre Gaël Monfils (6-76, 6-4, 5-7), qui remporte là son premier titre. Son année 2005 est enfin marquée par une finale en doubles (associé à Alexander Waske) au tournoi de Munich, où la paire chute contre le duo Mario Ančić - Julian Knowle (3-6, 6-1, 3-6).
Plus régulier en 2006, il décroche trois tournois Challenger à Furth, Tampere et Graz, et atteint de nouveau la finale à Sopot, après notamment une victoire sur Tommy Robredo, alors no 7 (6-2, 6-4). Il perd en finale cette fois contre Nikolay Davydenko, 6e mondial (6-76, 7-5, 4-6). Il prend l'année suivante sa revanche sur le russe, désormais no 3, à Halle, sur gazon (6-4, 6-4), mais perd en quarts contre Márcos Baghdatís (3-6, 3-6). Le reste de sa saison 2007 est principalement marqué par un troisième tour à l'Open d'Australie, perdu 6-73, 3-6, 3-6 contre Tommy Haas (no 12), et trois finales en Challenger, à Dresde, Prostějov et Brunswick. Il termine l'année pour la troisième fois consécutive dans la deuxième moitié du top 100.
2008 marque ensuite une lente dégringolade au classement, empirée par une blessure à un doigt l'écartant des courts à partir de mai.
2009-2011 : Retour progressif au premier plan et premier titre en simple
Retombé à la 450e place mondiale, il reprend progressivement la compétition en 2009, qu'il débute par une finale en janvier au Challenger de Nouméa. Il passe ses trois matches de qualification à l'Open d'Australie, puis perd au second tour contre Juan Martín del Potro, 6e mondial (1-6, 5-7, 2-6). Il multiplie dès lors les tournois Challenger, remportant ceux de Bangkok et Karlsruhe, et atteignant les finales à Sofia et Istanbul. Il ne reprend vraiment la route du circuit principal qu'en septembre à Bangkok, où il ne réussit qu'à sortir des qualifications. Après quelques tours passés au tournoi 500 de Pékin et au Masters 1000 de Shanghai, il parvient à terminer l'année au 61e rang mondial.
Mayer réalise une bonne saison 2010, entamée cette fois par une victoire au Challenger de Nouméa. S'il renonce pour la troisième fois d'affilée à Roland-Garros, il se hisse en revanche aux troisièmes tours de l'Open d'Australie et Wimbledon. Il perd au premier contre Juan Martín del Potro, alors no 5 mondial (3-6, 6-0, 4-6, 5-7), après une belle victoire sur son compatriote Philipp Petzschner qui le menait 2 sets à rien (0-6, 2-6, 6-4, 6-2, 6-2) ; et il s'incline au second contre Lu Yen-hsun, malgré une victoire au premier tour sur le no 12 Marin Čilić (6-2, 6-4, 7-61). Il remporte le Challenger de Sunrise après une victoire en finale contre Gilles Simon, alors 21e mondial (6-4, 6-4), et atteint la finale à celui de Rome-2. Il s'illustre également par des victoires sur le 8e mondial Mikhail Youzhny (6-4, 6-75, 6-1) au Masters 1000 de Shanghaï, et sur le 5eRobin Söderling (7-68, 6-1) en quarts du tournoi de Stockholm, où il atteint la finale, mais la perd contre Roger Federer (4-6, 3-6). Il se hisse en fin d'année à la 37e place mondiale.
Il effectue sa meilleure saison en 2011, la terminant au 23e rang mondial (après une pointe à la 18e en juin, son meilleur classement à ce jour), pour un ratio de 45 victoires et 26 défaites. Il atteint les demi à Sydney et Zagreb, la finale à Munich (perdue 3-6, 6-3, 1-6 contre Nikolay Davydenko), mais remporte ensuite son premier titre ATP à Bucarest. Pour sa première victoire en finale en cinq tentatives, il bat facilement l'Espagnol Pablo Andújar (6-3, 6-1). Cette même année il parvient à son meilleur résultat à l'US Open, un troisième tour qu'il perd contre le 5e mondial David Ferrer (1-6, 2-6, 6-72). Il passe également trois tours aux Masters de Miami, de Rome (dont il sort le no 8 Jürgen Melzer sur abandon, avant de perdre contre le no 4 Andy Murray 6-1, 1-6, 1-6), puis surtout de Shanghai, où il réussit sa meilleure performance en battant le no 2 mondial Rafael Nadal (7-65, 6-3). En double, il s'associe à Tomáš Berdych pour atteindre les demi-finales du Masters de Montréal, ne perdant que contre les frères Bryan, 1ers mondiaux (2-6, 1-6), puis obtient la même réussite la semaine suivante à celui de Cincinnati avec Juan Sebastián Cabal, chutant contre la paire Michaël Llodra - Nenad Zimonjić, respectivement no 7 et 5 (6-4, 3-6, 4-10).
2012-2015 : Maintien dans le top 30 et nouvelles blessures
Son principal fait d'armes en 2012 est un quart-de-finale à Wimbledon, où après une victoire au premier tour sur Dmitri Toursounov (7-63, 6-2, 6-3), il remonte pour la deuxième fois (après l'Open d'Australie 2010) un handicap de deux sets pour l'emporter sur son compatriote Philipp Petzschner (3-6, 3-6, 6-4, 6-2, 6-4). Il se défait ensuite du jeune et grand Polonais Jerzy Janowicz après avoir sauvé deux balles de match (7-65, 3-6, 2-6, 6-3, 7-5), puis bat en huitième de finale Richard Gasquet, no 19 mondial, en 1 h 53 et 4 manches (6-3, 6-1, 3-6, 6-2). Il confirme ainsi son aisance sur le gazon, en atteignant le même stade du Grand Chelem que 8 ans plus tôt. Il perd finalement contre Novak Djokovic, numéro 1 mondial et tenant du titre (4-6, 1-6, 4-6). Malgré ce bon résultat sur herbe, il ne participe pas aux Jeux olympiques, qui ont pourtant lieu sur cette surface. Outre Wimbledon, il parvient au troisième tour du Masters de Miami, après avoir sorti le no 10 mondial John Isner (6-4, 6-2), mais chute contre le no 6 Jo-Wilfried Tsonga (3-6, 2-6). À l'US Open, tête de série no 22, il abandonne au premier tour contre Jack Sock, mais parvient quelques semaines plus tard en demi du tournoi ATP 500 de Pékin. Il termine l'année 28e, sans n'avoir pratiquement jamais quitté le top 30.
L'année 2013 se déroule sans fait d'armes majeur pour le joueur allemand. Il faut attendre le Masters de Monte-Carlo pour le voir remporter deux matches successifs, mais il atteint la semaine suivante les demi à Bucarest et remporte le Challenger de Brunswick. Opposé à Novak Djokovic au premier tour de Wimbledon, il perd d'entrée (3-6, 5-7, 4-6), mais se rattrape à l'US Open en y égalant son meilleur résultat, un troisième tour cette fois perdu contre le no 3 Andy Murray (6-72, 2-6, 2-6). Il remporte enfin une victoire de prestige sur le no 4 David Ferrer en huitièmes au Masters de Shanghai (6-4, 6-3), mais perd au tour suivant contre le no 9 Jo-Wilfried Tsonga (2-6, 3-6). En fin d'année il est retombé au 40e rang mondial.
Il commence sa saison 2014 par une demi-finale à Doha, perdue contre Gaël Monfils (6-4, 6-3) mais faisant suite à une victoire contre le no 4 Andy Murray au second tour (3-6, 6-4, 6-2). Il atteint ensuite le quatrième tour de Open d'Australie 2014, son meilleur résultat, obtenu après des victoires sur Denis Kudla, Mikhail Youzhny (no 15) et Jerzy Janowicz (no 20). Il perd finalement contre le no 3 David Ferrer (7-65, 5-7, 2-6 1-6). Au 3e tour du Masters de Miami 2014, il renonce à son match contre Novak Djokovic en raison d'une blessure à l'aine. C'est le début d'une longue absence pour l'Allemand, qui chute jusqu'à la 565e place mondiale.
Il ne revient qu'en mars 2015, après l'opération d'une hernie, pour le Masters de Monte-Carlo[1], où il ne remporte qu'un match, contre Mikhail Youzhny. Il s'ensuit une série de défaites sur le circuit principal qui ne prend fin qu'à Halle, sur sa surface de prédilection, où il ne cède qu'au 3e tour contre Roger Federer. Son retour est cependant vite contrarié, avec un abandon dès le premier tour de l'US Open au quatrième set face à Martin Kližan, puis des forfaits successivement à Pékin, Shanghai et Vienne du fait d'une déchirure à l'adducteur droit.
2016 : Deuxième titre en simple
Mayer revient une nouvelle fois lors des qualifications de l'open de Roumanie en avril 2016, après sept mois d'absence. Il faut toutefois attendre la saison sur herbe et le tournoi de Stuttgart pour le voir atteindre les quarts de finale, qu'il perd contre Roger Federer (6-72, 6-71). Il remporte surtout quelques jours après l'ATP 500 de Halle, après notamment des victoires sur Lucas Pouille, Dominic Thiem[2], et son jeune compatriote Alexander Zverev en finale (6-2, 5-7, 6-3)[3].
Au cours de sa carrière, Mayer a remporté, en plus de ses titres à Bucarest et Halle, douze tournois Challenger et un tournoi Future.
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