Nicolò Entra a far parte della VR46 Riders Academy nel 2014, e si schiera al via del CEV con il Team Calvo, categoria Moto3, concludendo la stagione al sesto posto. Nel 2015 arriva l’esordio nel Motomondiale in classe Moto3, correndo il Gran Premio della Comunità Valenciana come wild card a bordo di una KTM RC 250 GP dello SKY Racing Team VR46. Nello stesso anno, Nicolo’ vince il Campionato del Mondo Junior Moto3 e sarà il primo italiano nella storia a conquistare la vittoria finale di Campionato in una classe del CEV.

L’anno successivo entra ufficialmente in Moto3 nel Motomondiale. Nel primo Gran Premio stagionale in Qatar, giunge sesto dopo aver battagliato a lungo nel gruppo dei primi. In occasione del Gran Premio di Spagna ottiene la sua prima pole position ed il suo primo podio Mondiale. Ottiene un terzo posto in Giappone. Chiude la stagione al 7° posto in classifica con 129 punti. Nelle due stagioni consecutive Nicolò affronta il Campionato del Mondo Moto3 con lo stesso team e la stessa moto del 2016.

Il 2019 è l’anno del debutto in Moto2, anche in questa categoria è sotto le ali di Sky Racing Team mentre il 2021 è stato il suo ultimo anno, corso con il Team Federal Oil Gresini Moto2. Nel 2022 infatti Nicolò ha debuttato nel Mondiale Supersport con la Ducati Panigale V2 del Team Aruba.it Racing Ducati arrivando 4° in classifica generale. Nel 2023, dopo una fantastica stagione si laurea campione del mondo nella categoria. Il 5 settembre è stato annunciato il suo passaggio in SBK per il 2024 sempre con il team Aruba.it Racing Ducati come compagno di Alvaro Bautista.