Pasca mengakhiri musim yang indah di ajang Moto3 Junior World Championship 2011, Vinales langsung digaet FTR Honda untuk berlaga di ajang perdana Moto3 2012. Bersama Blusens Avintia, Vinales sempat tampil gemilang di awal kejuaraan, namun akibat adanya perselisihan di internal tim membuat performa Vinales memburuk dan hanya berhasil finis di peringkat ketiga pada akhir musim.

Musim berikutnya, Vinales memutuskan hengkang dan bergabung bersama Team Calvo. Di sana, ia mendapatkan dukungan penuh dari internal tim dan membuat performanya meningkat tajam. Terbukti, dari 17 seri grand prix, Vinales sukses masuk podium hingga 15 kali dan mengukuhkan dirinya sebagai jawara anyar di ajang Moto3.

Berkat musim hebatnya pada 2013, Vinales langsung promosi ke ajang Moto2 setahun setelahnya. Dengan mengendarai Kalex Moto2, Vinales mencoba mengulang kesuksesannya di ajang tersebut. Namun, pesaing terdekatnya, Esteve Rabat dan Mika Kallio mampu tampil konsisten selama 18 seri grand prix. Akibatnya, Vinales hanya mampu finis di peringkat ketiga pada akhir musim dan gagal mengulang performa terbaiknya seperti musim lalu. 

Vinales hanya bertahan selama satu musim di ajang Moto2, ia langsung dilirik oleh Team Suzuki Ecstar untuk mengarungi kompetisi bergensi ajang balap motor, MotoGP musim 2015.

Pada musim perdananya di ajang tersebut, Vinales tampil inkonsisten. Ia tak mampu menembus posisi 5 besar selama berlaga di MotoGP. Tampaknya Vinales masih meraba mesin anyar pabrikan Suzuki yang kebetulan baru kembali mengudara di ajang MotoGP pasca bertahun-tahun absen. 

Vinales baru bisa bersahabat dengan Suzuki GSX-RR satu musim setelahnya. Pada 2016, Vinales mampu menaklukan motor pabrikan asal Jepang itu. Ia juga mampu tampil lebih baik dan berhasil meraih juara perdananya di Sirkuit Silverstone, Inggris. 

Ia juga berhasil membuat kejutan pada akhir musim dengan menduduki peringkat keempat klasemen dan membuatnya dilirik beberapa pabrikan lain berkat kemampuan adaptasinya yang begitu cepat.

Musim berikutnya, Vinales ternyata benar-benar dilirik oleh Yamaha, ia disodori kontrak anyar oleh tim Movistar Yamaha untuk mengisi kekosongan Jorge Lorenzo yang hengkang ke Ducati. 

Mengendarai Yamaha YZR-M1, Vinales mampu tampil konsisten di papan atas klasemen musim 2017. Konsistensi tersebut juga selalu ia tunjukkan hingga saat ini, ketika sudah hengkang ke tim Monster Energy Yamaha. Vinales selalu finis di peringkat 10 besar pada akhir musim dan tak pernah terpuruk di posisi dasar klasemen.

Meski begitu, Vinales selalu gagal meraih gelar juara dunia sejak tahun 2016. Tercatat, ia selalu menghiasi peringkat ketiga hingga peringkat keenam di setiap akhir musim (2016-2020). Ia tidak benar-benar mampu bersaing meraih gelar juara dunia selama lima musim berturut-turut dan tidak pernah beruntung akan hal tersebut.

Kini, di ajang MotoGP 2021, Vinales mencoba bangkit, ia masih penasaran untuk meraih gelar juara dunia MotoGP pasca selalu menjadi pembalap penghangat di papan atas klasemen ajang bergengsi itu. Apakah tahun ini Vinales bakal beruntung? patut ditunggu kiprahnya hingga akhir musim nanti.