En 2016, il intègre l'équipe Forward Racing pour sa première saison en championnat du monde dans la catégorie Moto2. En 2017, il courra de nouveau dans cette équipe[4]. Pour la saison 2018, Luca Marini intègre le Sky racing team VR46.
En 2020, pour sa dernière saison en Moto2 au guidon de la Kalex du VR46, il se bat avec Enea Bastianini pour le championnat jusqu’au dernier GP au Portugal sur le circuit de Portimao. Il termine vice-champion du monde dans la catégorie Moto2.
On se souviendra d'un épisode tragi-comique le concernant. À l'arrivée du Grand Prix d'Andalousie 2020, Luca Marini (2e) et Marco Bezzecchi (3e), compatriotes et coéquipiers au SKY Racing Team VR46, ont voulu se féliciter une fois le drapeau à damiers franchi. Mais les guidons des deux Kalex se sont touchés et les pilotes ont chuté. Une chute à basse vitesse, dans laquelle, fort heureusement, aucun des deux pilotes n'a été blessé, chute qu’ils ont prise sur le ton de la plaisanterie[5].