Zum ersten Mal trat Masetti im Premierenjahr der Motorrad-Weltmeisterschaft 1949 (125-cm³-Klasse) mit einer Morini an. In der Saison 1950 gewann er mit knappem Vorsprung auf Geoff Duke (Norton) als erster Italiener die Weltmeisterschaft in der Klasse bis 500 cm³ mit einer Gilera. Im folgenden Jahr gewann er den Grand Prix von Spanien und 1952 erneut die Halbliter-WM. In der Saison 1953 startete Masetti für NSU in der Klasse bis 250 cm³, hatte jedoch einen Unfall in Imola, so dass er nicht weiter an der Saison teilnehmen konnte. Im folgenden Jahr trat er wieder mit Gilera in der 500-cm³-Klasse an und erreichte hinter seinem alten Rivalen Geoff Duke den zweiten Platz. Ab 1955 fuhr Masetti für MV Agusta und trat 1958, nach einer wenig erfolgreichen Saison, aus dem Motorsport zurück.
Umberto Masetti lebte danach in Maranello und starb dort am 28. Mai 2006 im Alter von 80 Jahren an einer Atemwegserkrankung.