Pedrosa a commencé sa carrière en compétition moto à l'âge de 3 ans, courant des courses de karting. À l'adolescence, il s'est tourné vers les circuits de vitesse moto et en 2001, à l'âge de 16 ans, il a remporté le Championnat d'Espagne Moto-Cuba 125 cm3.
En 2002, Pedrosa a débuté dans le championnat du monde MotoGP en prenant part à la catégorie des 125 cm3 et il a remporté sa première course la même année à Catalunya. En 2004, il a remporté son premier titre mondial en catégorie 125 cm3.
En 2006, Pedrosa a rejoint l'équipe de MotoGP Repsol Honda et a couru la catégorie des 250 cm3. Il a remporté son deuxième titre mondial en 2006 et son troisième en 2007, devenant le premier pilote à réaliser cette performance en deux saisons consécutives dans la même catégorie.
En 2008, Pedrosa a passé à la catégorie MotoGP avec une Honda RC212V et il a remporté sa première course de catégorie supérieure à Qatar. Il a terminé troisième du championnat 2008 derrière Casey Stoner et Valentino Rossi.
En 2009, Pedrosa a été sacré champion du monde de MotoGP après avoir remporté huit courses et accumulé un total de 277 points, terminant devant Jorge Lorenzo et Valentino Rossi. C'est sa première victoire dans la catégorie royale et il s'agit également de l'une des plus rapides à se hisser au sommet du championnat depuis le début de la formule MotoGP en 2002.
En 2010, Pedrosa a remporté sept courses mais Jorge Lorenzo est devenu le nouveau champion du monde avec un total de 376 points contre 294 pour Pedrosa.
En 2011, Pedrosa a connu une saison compliquée en raison d'une blessure au genou et n'a terminé que quatrième du championnat.
En 2012, Pedrosa a remporté deux courses mais il a été battu par Jorge Lorenzo qui est devenu le nouveau champion du monde.
En 2013, Pedrosa a remporté deux courses et a terminé troisième du championnat derrière Marc Marquez et Valentino Rossi.
En 2014, Pedrosa a été victime d'une blessure au genou qui l'a empêché de participer à quelques épreuves mais il est revenu en course pour les dernières courses de la saison.
En 2015, Pedrosa a remporté deux courses et a terminé quatrième du championnat derrière Jorge Lorenzo, Valentino Rossi et Marc Marquez.
Pedrosa a annoncé son retrait des circuits en octobre 2018 après une dernière saison en 2018. Il quitte le circuit comme l'un des meilleurs pilotes de tous les temps avec un total de 67 victoires et 30 poles positions en carrière.