Anche suo cugino, Isaac Viñales, corre come pilota professionista,[1] mentre nel 2021 un altro cugino, Dean Berta Viñales, è rimasto vittima di un incidente fatale in una gara del campionato mondiale Supersport 300.[2]
Le prime apparizioni in competizioni di rilievo risalgono al campionato spagnolo di velocità della classe 125 del 2009, anno in cui si classifica al secondo posto finale, ottenendo anche la sua prima vittoria sul circuito di Jerez; curiosamente si trova a gareggiare anche con il cugino Isaac, giunto al quarto posto nella stessa classifica e che gareggia per un altro team spagnolo.[3]
Nel 2010 conquista il titolo spagnolo della stessa classe, mentre il cugino (che nel frattempo aveva avuto anche l'occasione di partecipare ad alcune gare del mondiale senza particolari risultati) si classifica al 6º posto;[4] alla fine dell'anno si aggiudica anche il titolo europeo, disputato in gara unica a Albacete.[5]
Esordisce nella classe 125 del motomondiale nel 2011, ingaggiato dal team dell'Aprilia Pev-Blusens-SMX-Paris Hilton; il suo compagno di squadra è Sergio Gadea. Il 15 maggio 2011, alla sua quarta gara, ottiene la prima vittoria nel mondiale, vincendo a Le Mans con un sorpasso su Nicolás Terol all'ultima curva. Giunge poi secondo in Catalogna. Ottiene la pole position in Gran Bretagna, ritirandosi poi in gara. Nel GP d'Olanda ottiene la sua seconda vittoria, dopo essere partito dalla pole position. In Italia giunge terzo. Nuovamente terzo nel Gran Premio di Germania, dopo essere partito dalla pole position. Torna un'altra volta sul podio, in seconda posizione, nella prova di Indianapolis. In Aragona giunge terzo. Vince in Malesia e nella gara finale di Valencia. Termina la stagione al 3º posto con 248 punti, risultando il miglior debuttante dell'anno nella classe 125.[6]
Nel 2012 corre nello stesso team nella nuova classe Moto3, alla guida di una FTR M312. Ottiene cinque vittorie (Qatar, Catalogna, Gran Bretagna, Paesi Bassi e Italia), due secondi posti (Portogallo e Giappone) e cinque pole position (Francia, Catalogna, Gran Bretagna, Italia e Repubblica Ceca); conclude la stagione al 3º posto con 207 punti.
Il 19 ottobre 2012, alla vigilia delle prove libere del GP della Malesia, lo spagnolo si rifiuta di correre, accusando la squadra di dargli una moto poco competitiva.[7]
Nel 2013 passa al team Calvo, che gli affida una KTM RC 250 GP; la compagna di squadra è Ana Carrasco; ottiene tre vittorie (Spagna, Francia e Comunità Valenciana), otto secondi posti (Qatar, Americhe, Paesi Bassi, Repubblica Ceca, San Marino, Aragona, Australia e Giappone), quattro terzi posti (Italia, Catalogna, Germania e Indianapolis) e due pole position (Francia e Gran Bretagna). Il 10 novembre 2013, grazie alla vittoria nel Gran Premio della Comunità Valenciana, al terzo posto di Álex Rins e alla caduta di Luis Salom, si laurea campione del mondo della Moto3.
Nel 2014 passa in Moto2, alla guida della Kalex del team Pons HP 40; il compagno di squadra è Luis Salom. Ottiene quattro vittorie (Americhe, Aragona, Australia e Malesia), quattro secondi posti (Catalogna, Paesi Bassi, Indianapolis e Giappone), un terzo posto in Gran Bretagna e una pole position in Aragona; termina la stagione al 3º posto con 274 punti.
Nel 2015 debutta in MotoGP con il team Suzuki Ecstar, avendo come compagno di squadra il connazionale Aleix Espargaró. Chiude la stagione d'esordio nella classe regina al dodicesimo posto con 97 punti. Nel 2016 rimane nello stesso team, ottenendo tre terzi posti (Francia, Giappone e Australia) e una vittoria in Inghilterra. Conclude la stagione al 4º posto con 209 punti.
Nel 2017 lascia la Suzuki per affiancare Valentino Rossi nella squadra ufficiale della Yamaha, prendendo il posto del connazionale Jorge Lorenzo. Il 26 marzo vince il Gran Premio del Qatar, all'esordio in Yamaha e il 9 aprile vince il Gran Premio d'Argentina. In Francia vince dopo essere partito dalla pole position. In Italia finisce secondo dopo essere partito dalla pole position. In Repubblica Ceca giunge terzo. In Gran Bretagna giunge secondo. In Aragona ottiene la pole position. In Australia giunge terzo. Conclude la stagione al 3º posto con 230 punti. Nel 2018 vince in Australia,[8] giunge secondo nel Gran Premio delle Americhe, terzo in Olanda, Germania e Thailandia e ottiene due pole position in Comunità Valenciana e Americhe. Conclude la stagione al 4º posto con 193 punti.
Nel 2019 abbandona il 25 come numero di gara per passare al 12.
Ottiene due vittorie (Olanda e Malesia), un secondo posto in Germania, quattro terzi posti (Spagna, Gran Bretagna, San Marino e Thailandia) e tre pole position (Qatar, San Marino e Australia). In Catalogna è vittima, insieme a Valentino Rossi e Andrea Dovizioso, dell'incidente causato da Jorge Lorenzo. Chiude la stagione al 3º posto con 211 punti. Nel 2020 rimane nello stesso team. Ottiene una vittoria nel Gran Premio dell'Emilia Romagna, due secondi posti (Spagna e Andalusia) e tre pole position (Austria, San Marino ed Emilia-Romagna) e conclude la stagione al sesto posto con 132 punti.[9]
Nel 2021 rimane nello stesso team, con compagno di squadra Fabio Quartararo. Vince in Qatar e ottiene una pole position nel Gran Premio d'Olanda, chiuso poi al secondo posto dietro il compagno di squadra. Il 28 giugno 2021 viene ufficializzata la rescissione del contratto fra Viñales e il team ufficiale Yamaha alla fine della stagione, rompendo il sodalizio con la casa di Iwata con un anno d'anticipo. Il 12 agosto viene ufficialmente sospeso dalla Yamaha, a poche ore dal GP d'Austria, accusato di aver compiuto delle azioni irregolari sulla sua moto nel corso del GP di Stiria.[10] Il 16 agosto viene ufficializzato il prossimo passaggio di Viñales al team ufficiale Aprilia per la stagione 2022[11].
Il 20 agosto 2021 la Yamaha ufficializza la rescissione consensuale del contratto col pilota, con effetto immediato,[12] come conseguenza dei fatti dell'Austria. Undici giorni dopo scende in pista per la prima volta in un test con la Aprilia RS-GP a Misano: il giorno seguente, la casa di Noale ufficializza l'esordio di Viñales nel GP di Aragón.[13] Chiude la stagione al decimo posto con centosei punti.[14] Nel 2022 è pilota titolare con il team Aprilia Racing. In occasione del Gran Premio d'Olanda conquista il primo podio con Aprilia.[15] Sale nuovamente sul podio a Silverstone e a Misano chiudendo il campionato all'undicesimo posto, con 122 punti.[16] Nel 2023, ottiene tre podi, tutti secondi posti, ed una Pole, al GP della Comunità Valenciana,[17] che gli mancava da oltre due anni, riuscendo a chiudere in settima posizione a 204 punti dietro al compagno di squadra.[18]