Vietti gjorde VM-debut i roadracing i Moto3-klassen som ersättare för den skadade Nicolò Bulega vid Japans Grand Prix 2018. Redan i sitt andra Grand Prix tog han sin första pallplats, trea i Australiens GP. Till Roadracing-VM 2019 blev Vietti ordinarie förare hos Sky Racing Team VR46. Han tog tre pallplatser och kom på sjätte plats i VM och blev därmed bästa nykomling (Rookie of the year). Vietti fortsatte i samma team i Moto3 Roadracing-VM 2020. Han tog sin första Grand Prix-seger den 23 augusti 2020 genom att vinna Steiermarks Grand Prix på Red Bull Ring.