Fuoco begann seine Motorsportkarriere im Alter von vier Jahren[1] im Kartsport, in dem er bis 2012 aktiv blieb. Unter anderem wurde er 2010 italienischer KF3-Vizemeister und 2012 Dritter der KF2-WSK Euro Series[2] sowie Vierter der CIK-FIA-Europameisterschaft.[1] 2013 erfolgte Fuocos Einstieg in den Formelsport. Er wurde zu Beginn des Jahres in der Ferrari Driver Academy aufgenommen, nachdem er auf der Pista di Fiorano den neuen Streckenrekord eines Formel Abarth aufgestellt hatte.[1][3] Sein Formelsport-Debüt gab Fuoco in der Winterserie der Panam GP Series, die in Nordamerika stattfand. Er gewann ein Rennen und wurde Vizemeister dieser Serie. Anschließend erhielt Fuoco beim Prema Powerteam ein Cockpit für die alpine Formel Renault. In dieser entschied Fuoco sechs Rennen für sich, stand bei 14 Rennen insgesamt elfmal auf dem Podium und gewann damit auf Anhieb die Meisterschaft. Darüber hinaus absolvierte er zwei Gaststarts im Formel Renault 2.0 Eurocup, wobei er eine Pole-Position erzielte.
Anfang 2014 ging Fuoco erneut in Nordamerika an den Start und trat in der Florida Winter Series an. Fuoco gewann vier Rennen und war der Fahrer mit den besten Einzelplatzierungen. Anschließend kehrte Fuoco nach Europa zurück und nahm für das Prema Powerteam an der europäischen Formel-3-Meisterschaft2014 teil.[4] Er gewann gleich bei seinem Saisonauftakt in Silverstone ein Rennen und wurde mit einem weiteren Sieg und insgesamt zehn Podest-Platzierungen Gesamtfünfter. Sein Teamkollege Esteban Ocon gewann den Meistertitel.
2015 wechselte Fuoco zu Carlin in die GP3-Serie.[5] Mit zwei zweiten Plätzen als beste Resultate schloss er die Saison als bester Carlin-Fahrer auf dem sechsten Gesamtrang ab. Darüber hinaus nahm er für die Scuderia Ferrari erstmals an Formel-1-Testfahrten teil.[6]2016 absolvierte Fuoco seine zweite GP3-Saison für Trident.[7] Er gewann zwei Rennen und stand insgesamt achtmal auf dem Podium. Er verbesserte sich auf den dritten Platz in der Meisterschaft.
2017 erhielt Fuoco ein Cockpit bei Prema Racing in der FIA-Formel-2-Meisterschaft.[8] Mit einem Sieg und vier dritten Plätzen erreichte insgesamt fünf Podestplatzierungen. In der Fahrerwertung belegte er den achten Platz. 2018 wechselte er innerhalb der Formel 2 zu Charouz Racing System.[9] Er gewann 2 Rennen und beendete die Saison auf dem siebten Platz.
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