Mir begon zijn motorsportcarrière in de Minimoto-klasse op tienjarige leeftijd. Tussen 2008 en 2011 nam hij deel aan kampioenschappen op de Balearen en won kampioenschappen in de Minimoto-, Minimotard en Bankia Cup-klassen. In 2012 maakte hij de overstap naar het nationale 125cc-klasse en werd direct kampioen.
In 2016 maakte Mir zijn fulltime debuut in de Moto3-klasse van het wereldkampioenschap voor Leopard op een KTM. In de eerste seizoenshelft wist hij goede resultaten neer te zetten met regelmatige puntenfinishes. Tijdens de Grand Prix van Oostenrijk behaalde hij zijn eerste pole position en tevens zijn eerste Grand Prix-overwinning in het wereldkampioenschap. Met twee andere podiumplaatsen beëindigde hij het seizoen als de beste rookie op de vijfde plaats met 144 punten.
In 2017 stapte het team van Mir over naar een Honda-motor. Dit bleek een goede keuze, hij won races in Qatar, Argentinië, Frankrijk, Catalonië, Duitsland, Tsjechië, Oostenrijk, Aragón en Australië. Dankzij deze laatste overwinning werd hij, twee races voor het einde van het seizoen, uitgeroepen tot wereldkampioen Moto3.
In 2018 maakte Mir de overstap naar de Moto2-klasse, waarin hij voor het Marc VDS Racing Team uitkwam op een Kalex. Hij kende een goed debuutseizoen, waarin hij in Frankrijk, Italië, Duitsland en Australië op het podium wist te finishen. Met 155 punten eindigde hij op de zesde plaats in het klassement.
In 2019 stapte Mir over naar de MotoGP-klasse, waarin hij voor het fabrieksteam van Suzuki uitkwam. Hij kende een moeilijk debuutseizoen, waarin hij halverwege het jaar twee races moest missen vanwege blessures aan zijn borst en longen. Een vijfde plaats in Australië was zijn beste klassering. Met 92 punten werd hij twaalfde in de eindstand.
In 2020 bleef Mir actief bij Suzuki. Alhoewel hij in twee van de eerste drie races vanwege crashes niet aan de finish kwam, stond hij regelmatig op het podium. Hij stond zesmaal op het podium, voordat hij in de Grand Prix van Europa zijn eerste MotoGP-zege behaalde. Een week later werd hij tijdens de Grand Prix van Valencia voor het eerst gekroond tot MotoGP-kampioen.