Vice il Campionato Europeo 125cc nel 2004, dopo di che entra nel Campionato del Mondo, andando a punti nel 2005, stagione che trascorre in 125cc.

L’italiano trascorre quattro stagioni lontano dal mondiale durante i quali è impegnato nella serie WSS, torna nel Campionato del Mondo Moto2™ col team Gresini a tempo pieno a partire dal 2011. Termina la stagione con una vittoria emozionante all’ultimo round dell’anno a Valencia, in un momento cruciale per la scuderia che scelse di continuare a correre dopo la scomparsa del loro amatissimo pilota in MotoGP™, Marco Simoncelli.

Pirro, al timone del progetto MotoGP™ CRT del team Gresini, in sella alla FTR MGP12 Honda ottiene il passaggio in classe regina.

Dopo un anno con Gresini si unisce alla Ducati diventando collaudatore e facendo una serie di apparizioni come wildcard, oltre ad essere il principale pilota di riserva.

Nel 2016 sostituisce l’infortunato Danilo Petrucci nel Octo Pramac Yakhnich a bordo della GP15. Resta con la casa di Borgo Panigale come collaudatore e partecipa, come wildcard, al Mugello nel 2017 assicurandosi una splendida partenza dalla seconda fila e sostenendo il ritmo in gara assicurandosi un posto nella top 10.

Nel 2018 vanta altre apparizioni come wildcard a Misano, Sepang e Valencia dove sfiora il podio arrivando quarto al traguardo.

Nel 2019 torna in pista al Mugello, Misano e Valencia, prima di sostituire l’infortunato Francesco Bagnaia nel doppio appuntamento austriaco del 2020.

Nel 2021 fa la sua consueta apparizione al GP d’Italia, dove arriva 13°.

Si rimette la tuta nel 2023 per sostituire Enea Bastianini nel team ufficiale ad Austin, in occasione del GP delle Americhe.