Esordisce nella classe 125 del motomondiale nel 2005 nel Gran Premio della Comunità Valenciana, a bordo di una Honda RS 125 R del team Wurth Honda BQR come wild card, senza ottenere punti.
Nel 2006 corre, a bordo della stessa moto, il Gran Premio di Spagna e il Gran Premio di Catalogna come wildcard. Diventa pilota titolare per gli ultimi nove Gran Premi nel team Wurth Honda BQR, ottenendo come miglior risultato due dodicesimi posti (Malesia e Giappone) e terminando la stagione al 23º posto con 11 punti.
Nel 2007 corre nel team Repsol Honda; il compagno di squadra è Bradley Smith. Ottiene un terzo posto in Cina e termina la stagione all'11º posto con 74 punti. In questa stagione è costretto a saltare i GP di Francia e Italia a causa della frattura del terzo metacarpo della mano sinistra rimediata nelle qualifiche del GP di Francia.
Nel 2008 passa a guidare una KTM 125 FRR; il compagno di squadra è Marc Márquez. In questa stagione, nelle prime qualifiche del Gran Premio di Catalogna, ha subito un grave incidente. Non sembrava aver subito conseguenze, ma mentre si stava recando in clinica mobile ha cominciato all'improvviso ad agitarsi ed a perdere conoscenza. Trasportato in ospedale, è stato messo in coma farmacologico, risvegliandosi il 10 giugno. Ottiene come miglior risultato un sesto posto in Olanda e termina la stagione al 14º posto con 49 punti.
Nel 2009 passa all'Aprilia nel team Blusens; il compagno di squadra è Scott Redding. Ottiene come miglior risultato due settimi posti (Portogallo e Malesia) e termina la stagione al 18º posto con 37 punti.
Nel 2010 rimane nello stesso team. Ottiene due terzi posti (Spagna e Repubblica Ceca) e termina la stagione al 6º posto con 147 punti.
Nel 2011 passa in Moto2 rimanendo nello stesso team, alla guida di una FTR M211; il compagno di squadra è Yonny Hernández. Ottiene un terzo posto a Indianapolis e termina la stagione al 10º posto con 79 punti.
Nel 2012 passa al team Pons 40 HP Tuenti, con compagni di squadra Pol Espargaró e Axel Pons. Ottiene un terzo posto in Giappone e termina la stagione al 7º posto con 115 punti.
Nel 2013 rimane nello stesso team. Ottiene le sue prime vittorie nel motomondiale (in Spagna, Indianapolis e Malesia), tre secondi posti (GP delle Americhe, Catalogna e Aragona), un terzo posto nel Gran Premio di San Marino e due pole position (Spagna e Malesia) e termina la stagione al 3º posto con 216 punti.
Nel 2014 passa al team Marc VDS Racing, alla guida di una Kalex Moto2; il compagno di squadra è Mika Kallio. Ottiene sette vittorie (Qatar, Argentina, Italia, Catalogna, Repubblica Ceca, Gran Bretagna e San Marino), tre secondi posti (Americhe, Aragona e Comunità Valenciana), tre terzi posti (Francia, Giappone e Australia), undici pole position (Qatar, Americhe, Argentina, Italia, Catalogna, Paesi Bassi, Repubblica Ceca, Giappone, Australia e Malesia Comunità Valenciana) e 346 punti iridati. Il 26 ottobre diventa campione del mondo della Moto2 arrivando terzo al GP di Malesia.
Nel 2015 rimane nello stesso team, con compagno di squadra Álex Márquez. Ottiene una vittoria in Italia, tre secondi posti (Francia, Olanda e Repubblica Ceca), due terzi posti (Spagna e Catalogna) e una pole position in Spagna.
.jpg)
Spagna
Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su Esteve Rabat
