Ulissi werd tweemaal wereldkampioen wielrennen op de weg bij de junioren. Sinds 2010 rijdt hij bij de Italiaanse Lampre-Merida-wielerploeg. Zijn belangrijkste resultaten bij de profs zijn acht ritzeges in de Ronde van Italië. Twee van deze ritzeges behaalde hij in 2014. Tijdens deze Ronde van Italië werd na de elfde etappe in zijn bloed een te hoge hoeveelheid salbutamol gemeten. Daarop werd hij van 21 juni 2014 tot en met 26 maart 2015 geschorst, maar hij behield zijn overwinningen.[1] Daarna keerde de Italiaan meteen weer terug bij de ploeg Lampre-Merida.