Dia lalu naik ke Moto3 tahun pada 2014. Pada musim debutnya, dia naik tiga podium dan mengakhiri tahun itu di posisi sepuluh besar secara keseluruhan serta dinobatkan sebagai Rookie of the Year.
Musim 2015, Bastianini memenangkan balapan pertamanya pada GP San Marino.
Bastianini meraih tujuh podium dalam 15 balapan pada 2020.
Musim 2021, Bastianini akan membalap pada MotoGP bersama Marini dan mengendarai motor Ducati yang merupakan pemasok tim Avintia Racing.
Marini akan tampil dengan livery Sky Racing VR46, sementara Bastianini bersaing dengan livery yang berbeda.
Ducati sudah memantau Luca Marini meski sempat terhalang dengan kontrak pembalap Esponsorama saat ini, Tito Rabat.
Namun, kontrak Tito Rabat di Esponsorama yang masih berlaku hingga tahun depan terpaksa berakhir lebih cepat.
Berikut klasemen akhir Moto2 2020.