En 2020, Gerloff llegó al Campeonato Mundial de Superbikes de la mano del GRT Yamaha WorldSBK Junior Team, montando una Yamaha YZF-R1. En su primera participación en el mundial en Australia terminó la carrera 1 en la decimocuarta posición. Al día siguiente no participó en las carreras superpole y la carrera 2 debidó a una caída en el warm up. Consiguió su primer podio en el mundial en la carrera 2 de Barcelona, luchó hasta el final de la carrera con el oficial de Yamaha, Michael van der Mark por el segundo puesto, terminando finalmente tercero. Este podio fue el primero de un piloto americano desde que Nicky Hayden terminará tercero en carrera 1 de Alemania en 2016. En la última ronda del campeonato en el Autódromo do Estoril, Gerloff tuvo su mejor actuación en el campeonato, clasificó en tercera posición y en la carrera 1 luchó con Chaz Davies y Jonathan Rea por el podio finalizando la carrera en la tercera posición. Al día siguiente en la carrera superpole terminó segundo detrás del el turco Toprak Razgatlıoğlu, el compañero de Razgatlıoğlu, Michael van der Mark término tercero, esta carrera fue histórica para Yamaha ya que tres pilotos de la marca comparon todas las posiciones de podio. Además de su participación en el Campeonato Mundial de Superbikes, Gerloff fue seleccionado por el Monster Energy Yamaha MotoGP como sustituto provisional de Valentino Rossi ya que el piloto italiano positivo de Covid-19 volvió a dar positivo días antes del Gran Premio de Europa. Gerloff disputó los entrenamientos libres del viernes del Gran Premio de Europa, terminando 15º sobre piso mojado en el FP1 y 18º sobre piso seco en el FP2 antes de que le permitieran a Valentino Rossi disputar lo que resta del gran premio.