Kemudian tahun 2015 ia kembali menjadi wildcard pada ajang Moto2 bersama Tim Junior Pons Racing dan menyelesaikan balapan di posisi ke-21.
Kemudian pada 2016, Marini teken kontrak dengan Tim Forward untuk berkompetisi di Moto2 dan mendapatkan poin Grand Prix pertamanya di Qatar dan finish posisi ke-10. Dan menempati posisi ke-6 di Jerman yang jadi hasil terbaiknya.
Luca Marini berhasil menorehkan prestasi gemilang selama dua tahun berturut-turut. Ia meraih podium pertamanya di Jerman, dan kemenangan pertamanya di Malaysia pada tahun 2018.
Pada tahun 2019, Luca Marini berhasil mencapai dua podium di Mugello dan Assen, dan menghasilkan kemenangan berturut-turut di Thailand dan Jepang.
Pada 2020, Luca Marini menyelesaikan musim Moto2 2020 sebagai runner up kejuaraan dengan 196 poin. Sementara juara pertama diraih Enea Bastianini.