Il débute dans le monde des Grands Prix dans la catégorie 125 cm³ en 2002, lors du Grand Prix d'Espagne bénéficiant d'une wild card. Deux autres suivent durant l'année lors des Grand prix de Catalogne et de la Communauté valencienne. Lors de cette année 2002, il termine 2e du championnat d'Espagne 125 cm³.
L'année suivante, il commence sa carrière en tant que pilote permanent du championnat du monde dans l'équipe Seedorf Racing, équipe créée par le footballeur Clarence Seedorf.
La saison sera difficile pour Álvaro avec de nombreuses courses hors des points mais il termine la saison sur de bonnes bases avec une 4e place lors du GP de Philip Island et une 6e lors du GP de Valence.
Pour la saison 2003, il est de nouveau dans l'équipe Seedorf Racing avec Hector Barbera comme coéquipier et bénéficiant d'une moto RSA d'usine. Álvaro terminera 7e du championnat du monde grâce à notamment quatre podiums lors des GP de Donington, Losail, Sepang et Valence.
Pour la saison 2005, Álvaro quitte Aprilia pour une Honda. La saison est catastrophique pour l'espagnol avec seulement deux places dans le top 10.
En 2006, il intègre le team Master-MVA Aspar et remporte huit victoires au guidon d'une Aprilia officielle. Totalisant 14 podiums (sur 16 épreuves), il termine champion du monde avec 338 points. Ce total est le plus grand obtenu par un champion 125 cm³, le précédent record, détenu par Valentino Rossi, étant de 321 points.
En 2007, passant dans la catégorie 250 cm³, il pilote une Aprilia RSW, toujours dans le team Aspar. Il est le coéquipier du saint-marinais Alex De Angelis et est un des favoris malgré son inexpérience de la catégorie. Cette saison sera réussie avec 2 victoires lors des GP d'Estoril et du Mugello, ainsi que cinq autres podiums. Il remporte le titre de Rookie of the Year, débutant de l'année.
Avec le passage de Jorge Lorenzo, d'Andrea Dovizioso et d'Alex De Angelis en MotoGP, Álvaro est le grand favori pour le titre mais termine à la seconde place derrière Marco Simoncelli malgré quatre victoires et sept podiums. Le titre lui échappera notamment à cause de deux abandons et de deux contre-performances même si Álvaro enchaîne dix GP consécutivement sur le podium.
Pour la saison 2009, Álvaro, toujours dans l'équipe Aspar est de nouveau le favori avec Marco Simoncelli pour le titre. Commettant plusieurs erreurs dans la saison dans les moments clés, et finissant souvent derrière ses principaux adversaires, Álvaro termine la saison à la 4e place finale derrière Hiroshi Aoyama, Marco Simoncelli et Hector Barbera.
MotoGP
Après trois années en 250³, Álvaro rejoint pour l'année 2010, l'équipe officielle Suzuki en MotoGP en étant le coéquipier du vétéran Loris Capirossi. Il conserve son guidon pendant deux saisons, défendant même seul les couleurs de Suzuki en 2011 après le départ de Capirossi. Le constructeur n'investit que peu de ressources dans le développement de sa MotoGP, qui a pourtant connu une évolution encourageante jusqu'en 2008, mais Álvaro Bautista se démène et parvient à progresser peu à peu. Son meilleur résultat est une cinquième place, obtenue à trois reprises : Barcelone 2010, Sepang 2010 et Assen 2011.
Au championnat, il finit à deux reprises à la treizième position, mais il souhaite malgré tout maintenir sa fidélité à Suzuki. Il refuse pour cela une offre de l'équipe Tech3 pour 2012 et n'a toujours pas de guidon assuré lorsque la saison 2011 prend fin. Alors que Suzuki s'approche d'un retrait du championnat MotoGP (qu'elle officialisera le [1]), Álvaro Bautista finit par obtenir un contrat au sein de l'équipe Gresini. Il y réalise ses premiers essais au guidon de la Honda RC212V 800 cm³ pilotée précédemment par Hiroshi Aoyama, mais son rôle en 2012 sera de prendre la place laissée vacante par le décès de Marco Simoncelli[2] : il disposera alors d'une Honda RC213V officielle. Lors du Grand Prix de Saint-Marin 2012, il monte pour la première fois sur le podium depuis son arrivée en Moto GP. Lors du Grand Prix du Japon 2012, il termine troisième derrière Dani Pedrosa et Jorge Lorenzo, ce qui fait son deuxième podium en trois courses.
Superbike World Championship
En 2019, Álvaro Bautista arrive chez Ducati en Superbike. Il réalise un début de saison impressionnant en remportant les 11 premières courses[3]. Malheureusement, Bautista réalise une deuxième partie de saison plus délicate et il ne termine que 2e du classement de la saison 2019.
En 2020, Bautista choisit de rejoindre Honda au sein du Team HRC[4]. Il termine 9e de cette saison 2020 et il ne signe qu'un seul podium[5].
En 2021, il reste au sein du Team HRC. La saison est une nouvelle fois compliquée et il termine la saison 2021 à la 10e place. À la fin de la saison, il décide de quitter Honda[6].
En 2022, Bautista est de retour dans le giron Ducati. Il remporte le championnat du monde de Superbike 2022 et 2023.
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