Ad annuciarlo, sulla sua pagina Facebook, è lo stesso Mattia Pasini che, il prossimo anno, tornerà a correre il Motomondiale. Il pilota riccionese, infatti, ha firmato l'accordo con il Team Italtrans per il mondiale di Moto2 dopo che, nell'ultima stagione, Pasini aveva corso come wild card nei Gran Premi d'Italia e San Marino a bordo di una Kalex Moto2 del team Gresini Racing. Classe '85, Mattia è un figlio d'arte ed esordisce nella classe 125 del motomondiale nel 2004, con una Aprilia RS 125 R del team Safilo Carrera - LCR, con compagno di squadra Roberto Locatelli, terminando la stagione 15° con 54 punti e ottenendo come miglior risultato un settimo posto in Malesia.

Nel 2005 passa al team Totti Top Sport - NGS, con compagno di squadra Manuel Hernández García, ottenendo due vittorie (Cina e Catalogna), un secondo posto in Turchia e tre terzi posti (Olanda, Malesia e Comunità Valenciana) e terminando la stagione 4° con 183 punti. In questa stagione è stato costretto a saltare il GP di Francia a causa di una frattura al polso rimediata nelle qualifiche del GP.

Nel 2006 ha corso nel team dell'ex campione del mondo Jorge Martínez in sella ad un'Aprilia con Sergio Gadea, Álvaro Bautista, Mateo Túnez ed Héctor Faubel come compagni di squadra. In questa stagione ottiene due vittorie (Italia e Germania), un secondo posto in Cina, tre terzi posti (Spagna, Gran Bretagna e Australia) e due pole position (Spagna e Francia) e termina la stagione 4° con 192 punti.

Il 2007 è iniziato all'insegna della sfortuna per il giovane talento italiano: nelle prime gare della stagione è tormentato da problemi tecnici alla sua Aprilia RS (mezzo totalmente nuovo), che lo hanno costretto a numerosi ritiri nei primi giri di corsa. Il trend si è invertito a metà stagione con la conquista di due vittorie consecutive. In tutta la stagione ha ottenuto quattro vittorie (Gran Bretagna, Paesi Bassi, San Marino e Giappone), un secondo posto in Repubblica Ceca e nove pole position (Spagna, Turchia, Cina, Francia, Gran Bretagna, Paesi Bassi, Portogallo, Giappone e Australia) e termina la stagione 5° con 174 punti. In questa stagione ha corso nel team Polaris World, in coppia con Joan Olivé.

Il 9 marzo 2008 esordisce con l'Aprilia nella classe 250 con la vittoria nella gara notturna in Qatar; il resto della stagione non sarà però all'insegna delle aspettative. Ciò che sembra mancare a Pasini in quest'annata è soprattutto l'esperienza nella categoria, che lui affronta per la prima volta. Alla fine, dopo una serie di alti e bassi, giunge 9º in classifica a 132 punti. Ha ottenuto anche un secondo posto in Spagna e due terzi posti (Cina e Francia).

Per la stagione 2009 viene confermato all'Aprilia, passando al Team Toth, con compagno di squadra Imre Tóth, ma l'annata si apre con un ritiro nel GP del Qatar a causa di un contatto occorsogli poco dopo la partenza. Conquista un podio a Motegi, giungendo terzo e riaprendo le sue speranze di vincere il mondiale. In seguito vince sotto la pioggia il Gran Premio d'Italia al Mugello davanti a Marco Simoncelli. Si trova sempre a rischio di non partire a causa dei problemi economici del team. Quello di casa sarà l'unico vinto da Pasini in quest'annata controversa, che gli consegna altri podi (terzo a Donington, secondo a Brno e Misano) ma anche molte insoddisfazioni. Riesce a fare meno punti dell'anno prima (128), ma il dominio indiscusso dei primi quattro piloti della classifica generale permette a Pasini di piazzarsi al 5º posto.

Il 17 agosto 2009 sale per la prima volta in carriera su una MotoGP provando la Ducati satellite del team Pramac, guidando per la prima volta una moto 800 a 4 tempi, completamente diversa dalla 250. Nel 2010 passa al team JiR Moto2 con una MotoBi TSR 6 nella nuova classe Moto2, il compagno di squadra è Simone Corsi. Dopo appena sei gare disputate con appena 12 punti raccolti e ben quattro ritiri, il team JiR di Gianluca Montiron decide di chiudere i rapporti con Mattia Pasini.[2] Il suo posto viene preso da Yusuke Teshima. Nello stesso anno corre come wildcard il Gran Premio di San Marino a bordo di una Suter MMX e il Gran Premio d'Aragona in sostituzione dell'infortunato Michael Ranseder nel team Vector Kiefer Racing.

Nel motomondiale 2011 corre ancora in Moto2 col team Ioda Racing Project, il compagno di squadra è Simone Corsi. Ottiene come miglior risultato un sesto posto in Olanda e termina la stagione al 24º posto con 28 punti. Nel 2012 Pasini esordisce in MotoGP con il team Speed Master, a bordo della ART GP12. Viene sostituito dopo il Gran Premio motociclistico d'Aragona dal pilota torinese Roberto Rolfo. Nell'ultima gara del campionato Moto2 a Valencia corre con una FTR M212 del team Forward Racing in sostituzione dell'infortunato Alex De Angelis.

Continua in Moto2 anche nel 2013 correndo con la Speed Up SF13 del team NGM Mobile Racing. Ottiene come miglior risultato un sesto posto in Francia e termina la stagione al 15º posto con 58 punti. Nel 2014 rimane nello stesso team, alla guida di una Forward KLX; il compagno di squadra è Simone Corsi. Ottiene come miglior risultato un sesto posto in Catalogna e termina la stagione al 21º posto con 35 punti.