In 2011 won Fenati de 125cc-klasse van het Europees kampioenschap wegrace. In 2012 debuteerde hij in het wereldkampioenschap wegrace in de Moto3-klasse op een FTRHonda. Tijdens zijn eerste race in Qatar behaalde hij meteen de tweede plaats, om in de volgende race in Jerez zijn eerste Grand Prix te winnen. Hiermee werd hij de eerste coureur sinds Noboru Ueda in 1991 die op het podium stond in zijn eerste twee Grands Prix. Later behaalde hij ook podiumplaatsen in Italië en San Marino om het seizoen als zesde af te sluiten. 2013 werd een enigszins teleurstellend jaar, aangezien hij geen enkele keer op het podium stond. In 2014 stapte hij over naar een KTM bij het team van Valentino Rossi en won hij de Grands Prix van Argentinië, Spanje, Italië en Aragón, waardoor hij op een vijfde plaats in het klassement eindigde. In 2015 won hij de Grand Prix van Frankrijk en behaalde zijn beste resultaat in het kampioenschap met een vierde plaats achter Danny Kent, Miguel Oliveira en Enea Bastianini.
In 2016 won Fenati de Grand Prix van de Amerika's en behaalde poleposition in zijn thuisrace. Na de kwalificatie van de Grand Prix van Oostenrijk werd hij echter op non-actief gesteld door het team om disciplinaire redenen. Op 16 augustus werd hij per direct uit het team gezet, waardoor een geplande overstap naar de Moto2-klasse in 2017 eveneens werd geschrapt.
In 2018, tijdens de Moto2-race op het circuit van San Marino, raakte Fenati in gevecht met Stefano Manzi. In bocht 14 week Manzi van zijn lijn af, waarbij hij Fenati, op dat moment bij Manzi in de buitenbocht, mee naast de baan drukte, tot grote woede van Fenati. Enige tijd later reden de twee coureurs vlak naast elkaar op een recht stuk, waarbij Fenati plots de remhendel van Manzi bediende. De actie leverde Fenati direct een diskwalificatie voor de race op en hij werd door Marinelli Snipers Team een dag na de race ontslagen.[1] Uiteindelijk besloot Fenati, na alle ophef, geheel te stoppen als motorcoureur.[2]
Tegen de verwachting in keert de controversiële Romano Fenati in 2019 toch terug in de Grand Prix-paddock. De Italiaan moet "vanaf nul beginnen" en keert in 2019 terug in de Moto3-klasse met de Marinelli Snipers-formatie.[3]
