Nel 2014 viene selezionato per entrare nella VR46 Riders Academy, segnando l'inizio della sua carriera internazionale sotto la guida di Valentino Rossi e del suo staff tecnico. L'ingresso nell'Academy rappresenta il riconoscimento ufficiale del talento mostrato nelle categorie giovanili e apre a Nicolò le porte del circuito mondiale.

Nel 2015 vince il Campionato Spagnolo Velocità (CEV Moto3) al termine di una stagione combattutissima, diventando il primo italiano a conquistare il titolo mondiale Junior. Un risultato storico che conferma la qualità del suo percorso di crescita e lo lancia definitivamente nel motomondiale.

Il debutto nel Campionato del Mondo Moto3 avviene nel 2016 con lo Sky Racing Team VR46: alla sua prima stagione completa ottiene subito risultati di rilievo, tra cui una pole position a Jerez e due podi, chiudendo l'anno al settimo posto assoluto — una delle migliori rookie season italiane della categoria.

Nelle stagioni 2017 e 2018 prosegue il suo impegno nella classe leggera del Motomondiale, consolidando l'esperienza tecnica e la gestione del weekend di gara nonostante alcuni infortuni che ne condizionano la continuità dei risultati. Nel 2019 compie il salto di categoria debuttando in Moto2, sempre sotto i colori del team VR46, affrontando una classe intermedia molto più esigente sia fisicamente sia a livello di pilotaggio.