Setelah lama menjadi pembalap pengganti, Luca Marini akhirnya menjadi pembalap tetap di Moto2 pada musim 2016 bersama Forward Racing Team.
Di debut musimnya, Marini berhasil mencetak lap tercepat di GP Malaysia.
Finish terbaik yang diraih Marini adalah posis ke-6 di GP Jerman dan posisi ke-9 di GP Malaysia.
Marini menyelesaikan musim 2016 di peringkat 23 dengan 34 poin.
Pada musim selanjutnya, performa Marini di Moto2 naik.
Dia sering masuk sepuluh besar dan menyelesaikan musim di peringkat ke-15 dengan 59 poin.
Pada 2018, Marini pindah ke tim yang dimiliki kakaknya, yakni Sky Racing Team VR46.
Performa Marini langsung menanjak semenjak bergabung di tim kakaknya.
Dia mendapat kemenangan perdananya di GP Malaysia.
Selain itu, dia juga meraih lima podium dan dua kali pole position.
Marini menyelesaikan musim di peringkat ketujuh.
Dia masih di Sky Racing Team VR46 pada musim 2019.