Zur Saison 2018 wechselte Luca Marini innerhalb der Moto2-Klasse zum "Sky Racing Team VR46" seines Halbbruders Valentino Rossi. Zu Saisonbeginn behinderten ihn die Folgen einer im Winter durchgeführten Schulteroperation. Im Juli fuhr er beim Großen Preis von Deutschland mit dem dritten Rang seine erste Podiumsplatzierung und später beim Großen Preis von Malaysia auf dem Sepang International Circuit den ersten Sieg in der Motorrad-Weltmeisterschaft ein. Im Gesamtklassement kam er damit auf den siebten Platz. 2019 gewann Marini – weiterhin auf Kalex im VR46-Team – in Thailand und Japan und wurde WM-Sechster.