Ha iniziato la sua carriera da bambino nei Dirt e Short Track in Australia, vincendo 41 titoli con moto da 2 e 4 tempi, nelle cilindrate 50 e 125. Nel 2000 sbarca in Europa gareggiando nel challenge Aprilia 125 spagnolo. L'anno dopo partecipa al campionato inglese,
con un 2º posto finale e 7 vittorie, e a quello spagnolo, dove
raccoglie 3 vittorie e il 2º posto nella classifica finale. Sempre nel 2001 esordisce nel Motomondiale, disputando due corse nella Classe 125, essendosi guadagnato le wild card,
piazzandosi rispettivamente 17° in Inghilterra, e 12° in Australia, con
un 29º posto finale con 4 punti. Tali piazzamenti gli valgono il primo
contratto stipulato con Lucio Cecchinello.
Nel 2002 partecipa al suo primo vero mondiale con l'Aprilia nella Classe 250, con compagno di squadra David Checa, raggiungendo un 12º posto finale con 68 punti, ottenendo come miglior risultato un 5º posto in Repubblica Ceca. È costretto anche a saltare il GP d'Italia in seguito a una lesione rimediata nella caduta del GP precedente, in Francia.
Nel 2003
scende di categoria, rimanendo nello stesso team, in squadra con
Cecchinello. Termina il campionato in 8ª posizione con 125 punti, con
una vittoria sul circuito Ricardo Tormo di Valencia, e tre secondi posti (Germania, Brasile e Pacifico); ottiene anche la sua prima pole position in Italia.
In questa stagione è stato costretto a saltare i GP di Repubblica Ceca e
Portogallo a causa di una frattura a una clavicola rimediata nelle
qualifiche della Repubblica Ceca.
Il risultato è migliorato nel 2004 dove, abbracciando il progetto KTM conclude col 5º posto finale con 145 punti e una vittoria in Malesia, la prima della casa austriaca nel Motomondiale; ottiene anche due secondi posti (Italia e Brasile), tre terzi posti (Sudafrica, Olanda e Australia) e una pole position in Olanda. In questa stagione ha corso in squadra con Mika Kallio.
In questa stagione è stato costretto a saltare i GP di Germania e Gran
Bretagna a causa di una frattura a una clavicola rimediata nelle prove
libere di Germania.
L'anno seguente ritorna in Aprilia, ancora una volta con il team di Lucio Cecchinello, ma con un'Aprilia RSA 250 ufficiale, in squadra con Roberto Locatelli. Conclude la stagione 2005 al secondo posto in classifica mondiale nella classe 250 con 254 punti, dietro a Dani Pedrosa, grazie a 5 vittorie (Portogallo, Cina, Malesia, Qatar e Turchia), un secondo posto in Catalogna e quattro terzi posti (Gran Bretagna, Repubblica Ceca, Giappone e Comunità Valenciana). Ottiene anche due pole position (Cina e Australia).
Nel 2006 debutta in MotoGP su una Honda RC211V del Team LCR di Lucio Cecchinello, con la quale ottiene una pole position in Qatar sul Circuito di Losail.
Stoner in questa stagione cade molto, sia in prova sia in gara, ma
chiude l'annata piazzandosi all'8º posto nella sua stagione d'esordio
nella classe regina
con 119 punti. Ottiene un secondo posto in Turchia. In questa stagione è
stato costretto a saltare il GP di Germania a causa di una commozione
cerebrale a seguito di una caduta nel warmup.
Nel 2007 la squadra ufficiale Ducati Marlboro, gli dà fiducia e lo ingaggia come compagno di Loris Capirossi. Sarà questa, oltre alla potenza sprigionata dal motore progettato dall'ingegnere Filippo Preziosi, la mossa giusta per il ritorno alla vittoria di una casa italiana nella classe regina del motomondiale dopo più di 30 anni.
Nel 1º gran premio della stagione, sempre a Losail in Qatar, Stoner vince la sua prima gara nella classe MotoGP strappando il successo a Valentino Rossi. È il primo vincitore della nuova MotoGP con motori di cilindrata 800 cm³. Si ripete in Turchia, Cina, Catalogna e Inghilterra. Il 22 luglio vince il Gran Premio motociclistico degli USA. Il 19 agosto trionfa sul circuito di Brno, nel Gran Premio motociclistico della Repubblica Ceca, dopo aver ottenuto la pole position in qualifica. Agli inizi di settembre, porta la Ducati Desmosedici a trionfare sul circuito di Misano Adriatico dove si corre il GP di San Marino. È campione del mondo con 3 gare di anticipo a Motegi in Giappone il 23 settembre
2007 e questo lo rende il secondo campione mondiale per precocità,
essendosi laureato campione della classe regina a 21 anni e 342 giorni:
l’unico a riuscirci prima è stato Freddie Spencer nel 1983, quando aveva 21 anni e 258 giorni. Non smette tuttavia di vincere. Vince infatti davanti al suo pubblico nel circuito di Phillip Island in Australia, e si ripete nel Gran Premio motociclistico della Malesia. Conclude la stagione con il secondo posto nel Gran Premio motociclistico della Comunità Valenciana, dietro a Daniel Pedrosa. Ottiene anche un secondo posto in Olanda, due terzi posti (Francia
e Portogallo) e cinque pole position (Italia, Germania, Stati Uniti,
Repubblica Ceca e San Marino). Nel corso della stagione ha totalizzato
367 punti.
Si è sposato nel gennaio del 2007 con Adriana Tuchyna, ed inizialmente si sono trasferiti nel principato di Monaco. In seguito si sono trasferiti in Svizzera, nel Canton Ticino, nei pressi di Lugano. Nel 2008 partecipa alla MotoGp ancora in sella alla Ducati Desmosedici, questa volta con compagno di squadra Marco Melandri. In Qatar vince la prima gara in assoluto corsa in notturna precedendo Jorge Lorenzo, Dani Pedrosa, Andrea Dovizioso e Valentino Rossi.
Dopo il vittorioso esordio, Stoner non vince per le 5 gare
successive, riprendendosi in occasione dei gran premi disputati e vinti a
Donington, Assen e Sachsenring. Nella gara tedesca, disputata sotto un vero e proprio diluvio, lo spagnolo Dani Pedrosa,
che si trovava in testa alla classifica generale e alla gara stessa,
cade rovinosamente sul rettilineo, venendo così di colpo estromesso
dalla lotta per il titolo per i susseguenti malanni fisici.
Stoner dunque riesce a riavvicinarsi alla leadership della classifica, detenuta a questo punto da Rossi, e la situazione rende alquanto importante il successivo Gp degli U.S.A., in cui Stoner approda come favorito. A Laguna Seca Casey Stoner domina ogni turno di prova, ma Rossi riesce a tenergli testa ed a vincere la gara davanti a lui.
A Brno e a Misano Adriatico,
Stoner cade consecutivamente mentre era al comando della gara. Prima
della gara di Misano, durante le prove libere del venerdì, in Casey si
ripresenta una frattura allo scafoide della mano sinistra, già operato
dopo una caduta nel 2003. Dopo il quarto posto ottenuto sotto un vero e
proprio tifone nel Gp di Indianapolis, torna sul podio sulla pista giapponese di Motegi
conquistando un secondo posto dietro Rossi al quale il pilota
australiano cede lo scettro di campione del mondo con tre gare di
anticipo.
Il 5 ottobre sulla pista di Phillip Island torna alla vittoria comandando la gara di casa sin dal primo giro. La stagione 2008 si chiude sulla pista spagnola di Valencia dove Stoner, partendo dalla pole position, coglie la sesta vittoria della stagione davanti a Daniel Pedrosa su Honda e a Valentino Rossi su Yamaha.
In totale, nell'annata, ottiene anche un secondo posto in Italia, due
terzi posti in Cina e Catalogna e nove pole position (Catalogna, Gran
Bretagna, Olanda, Germania, Stati Uniti, Repubblica Ceca, San Marino,
Australia e Comunità Valenciana) totalizzando 280 punti. Appena
terminata la stagione, il pilota di Kurry-Kurry si è operato allo scafoide per ridurre la frattura e poter iniziare al meglio la stagione 2009.
Il 2009, per la sua quarta stagione in MotoGp, inizia con la vittoria in Qatar per il terzo anno consecutivo, poi per tre gare ottiene solo piazzamenti (4° a Motegi, 3° a Jerez de la Frontera, 5° a Le Mans), fino a quando arriva il gran premio del Mugello in cui riesce a spuntarla su Jorge Lorenzo e Rossi, dopo una gara rocambolesca e ricca di colpi di scena a causa del maltempo e della regola del flag-to-flag. La vittoria al Mugello ha avuto un sapore particolare per la Ducati,
essendo stata la prima in assoluto della casa bolognese nel circuito
"di casa" (è al Mugello che la casa effettua abitualmente dei test per
lo sviluppo), dopo 7 anni di dominio incontrastato da parte di Valentino Rossi.
Tra i Gran Premi di Catalogna e di Assen
(entrambi vinti da Rossi su Lorenzo) incappa in un malore allo stomaco,
che lo fa arrivare comunque in entrambe le gare in terza posizione. Sia
a Laguna Seca che al Sachsenring, termina quarto dietro ai tre rivali per il titolo. Il 10 agosto, Livio Suppo team manager della Ducati, dichiara che Stoner non sarà al via nel Gran Premio della Repubblica Ceca a Brno e probabilmente neppure a quelli di Indianapolis e San Marino
per il persistere dei problemi di stanchezza fisica che lo affliggono
in tutta questa stagione agonistica e che potrebbero mettere a rischio
la carriera del giovane pilota.
Dopo tre gare di stop l'australiano torna per il gran premio del
Portogallo, dove riesce a conquistare un ottimo 2º posto. Nella gara
successiva vince sulla pista di casa il Gran Premio di Australia a Phillip Island e si ripete anche in Malesia a Sepang.
A Valencia, ultima gara della stagione, cade nel giro di ricognizione;
nel corso dell'annata ottiene tre pole position (Qatar, Australia e
Comunità Valenciana) e a fine stagione è 4° con 209 punti.
L'annata del 2010
inizia male con la gara del Qatar dove ottiene la pole position, ma
cade mentre si trova in testa. Nella successiva gara di Jerez de la
Frontera conclude la gara in quinta posizione, preceduto anche dal
compagno di squadra Hayden. Prosegue a Le Mans con un'altra caduta per
problemi all'anteriore, che comincerà a compromettere la sua corsa al
mondiale. Vince in Aragona,
Giappone e Australia (quarta volta consecutiva dopo essere partito
dalla pole position), negli Stati Uniti e in Comunità Valenciana giunge
secondo e in Olanda, Catalogna, Germania e Repubblica Ceca giunge terzo.
Cade di nuovo in Malesia, al termine del primo giro, in una gara nella
quale era uno dei favoriti. Termina la stagione al 4º posto con 225
punti.
Il 9 luglio 2010 un comunicato ufficiale della Ducati annuncia che con l'ultima gara del campionato 2010 si concluderà la collaborazione con Stoner. Nello stesso giorno è la Honda a comunicare che nel 2011 l'australiano sarà un pilota ufficiale HRC. Nel 2011
ottiene pole position e vittoria in Qatar nella gara inaugurale è la
seconda volta che riesce a vincere all'esordio con una nuova moto, dopo
la vittoria nel 2007 con la Ducati sempre in Qatar. Nella gara di Jerez
conclude con un ritiro in seguito ad una caduta causata da un errore di
Valentino Rossi dopo esser partito dalla pole. In Portogallo conquista
la pole e in gara giunge terzo. Vince ancora a Le Mans dopo essere
partito nuovamente dalla pole position. Vince i Gran Premi di Catalogna
(Barcellona) e d'Inghilterra (Silverstone). In Olanda giunge secondo,
dietro a Ben Spies. In Italia giunge terzo dopo essere partito dalla
pole position. In Germania è il più veloce e parte in pole positon ma
arriva terzo al traguardo.
Trionfa a Laguna Seca
e vince anche in Repubblica Ceca, dove dedica la sua vittoria alla
moglie Adriana che lo segue costantemente in tutte le sue gare e che a
febbraio darà alla luce il loro primo figlio. In America nel circuito di
Indianapolis
ottiene la sua settima Vittoria e Pole Position Stagionale (record
della pista) e giro veloce in gara. A San Marino giunge terzo. In
Aragona vince dopo essere partito dalla pole position. In Giappone
giunge terzo dopo essere partito dalla pole position. In Australia, il
giorno del suo 26º compleanno, partendo dalla pole position e dominando
una gara a tratti bagnata ed asciutta vince di misura il gran premio e
si laurea per la seconda volta campione del mondo con due gare ancora da
disputare. Vince anche il GP della Comunità Valenciana, dopo essere
partito dalla pole position, superando Ben Spies di 15 millesimi in
volata.
Nel 2012
ottiene un terzo posto in Qatar (dopo problemi all' avambraccio) e
torna a vincere nella successiva gara di Jerez, ottenendo il suo primo
successo su questa pista. Una settimana dopo, ha conquistato la prima
pole position del 2012 e la prima vittoria nella classe regina sul
circuito dell'Estoril, in Portogallo, diventando leader provvisorio
della classifica.
Il 17 maggio 2012 durante la conferenza stampa del Gran Premio di Francia dichiara che a fine campionato si ritirerà dal mondo delle corse.
A Le Mans,
al termine di un appassionante duello sul bagnato per il secondo posto
con Valentino Rossi si classifica terzo. Ottiene la pole position in
Catalogna. Giunge secondo in Gran Bretagna. Vince in Olanda dopo essere
partito dalla pole position. Ottiene un'altra pole position in Germania.