Kejuaraan Dunia 125cc
2003
Ketika Di Meglio berusia 15 tahun, ia memutuskan untuk menerima tawaran dari Freesoul Racing Team Italia di atas motor Aprilia untuk melakukan debut di kejuaraan dunia 125cc pada tahun 2003. Meskipun ia berhasil mencetak poin, termasuk posisi ke-13 di Catalan, musim itu merupakan musim yang sulit baginya, sering mengalami kecelakaan dan tidak meraih hasil yang baik. Kemudian, di pertengahan musim, ia ditawari oleh MetaSystem Rg Service Italia untuk menggantikan veteran Italia Andrea Ballerini, tetapi kali ini tim tersebut menggunakan Honda, Dia berusaha untuk mencapai tujuannya, tetapi dia gagal berkembang dan tidak mencetak poin kejuaraan apa pun.
2004
Setelah tahun 2003 yang mengecewakan, Di Meglio bertekad untuk menyelamatkan debutnya yang berantakan. Dia menandatangani kontrak dengan Globet.com Racing di Aprilia bersama Gino Borsoi untuk Grand Prix Sepeda Motor musim 2004. Awal yang menjanjikan dengan start dari barisan depan dan finis di posisi kelima pada Afrika Selatan, namun ia gagal tampil konsisten karena beberapa kali mengalami kecelakaan.
2005
Di Meglio tetap bersama tim yang sama untuk 2005, tetapi timnya bergabung dengan Team Scot yang menggunakan mesin Honda, tim yang sama yang membantu Andrea Dovizioso memenangkan Kejuaraan Dunia 125cc tahun 2004. Di Meglio adalah pembalap resmi mereka yang mengendarai Honda RS125RW pabrikan bersama Fabrizio Lai tetapi di bawah nama Kopron Racing World. Performanya membaik, mencetak poin secara teratur. Dia tampil heroik di Grand Prix Prancis dengan berjuang untuk posisi podium, finis di urutan keempat dan membuat para penggemar di kandangnya senang dan terhibur. Namun, finis di podium pada Grand Prix Inggris yang berlangsung dalam kondisi basah, dengan menempati posisi kedua di belakang Julián Simón, yang memberinya reputasi sebagai ahli cuaca basah. Ia juga meraih posisi keempat yang cukup membanggakan di Grand Prix Qatar yang berlangsung sengit, mengungguli Thomas Lüthi yang kelak menjadi juara 125cc. Puncak prestasi musim ini bagi pembalap Prancis itu adalah kemenangannya yang kontroversial di Grand Prix Turki, ketika Mika Kallio mengalami kecelakaan dan pemimpin balapan Luthi mengambil jalur lebar untuk menghindarinya.
2006
Di Meglio bergabung dengan tim kejuaraan dunia Fédération Française de Motocyclisme yang dikelola oleh Alain Bronec untuk 2006. Tim FFM Honda GP 125 juga memberinya motor pabrikan seperti musim sebelumnya, tetapi terlepas dari ambisinya yang besar dan motor pabrikan, ia mengalami cedera, dan hanya mencetak poin dalam empat balapan yang menghasilkan delapan poin. Dia langsung meninggalkan tim tersebut dan bergabung dengan Team Scot pada tahun berikutnya setelah Portugal sebagai akibat dari penampilannya bersama tim tersebut.
2007
Untuk 2007, Di Meglio kembali ke Team Scot, tim yang telah membantunya memenangkan Grand Prix pertamanya pada tahun 2005. Ia berpasangan dengan pembalap muda Italia Stefano Musco. Pada beberapa balapan pertama, ia berhasil mengumpulkan poin kejuaraan. Ia mengalami kecelakaan yang sangat parah selama sesi kualifikasi Grand Prix sepeda motor Spanyol 2007|Grand Prix Spanyol]], Ia mengalami patah tulang selangka dan terpaksa absen dari Grand Prix Turki akibatnya. Ia kembali di China dan finis di posisi keempat belas, kemudian diikuti dengan finis di posisi kesembilan di Le Mans. Start dari barisan depan di Mugello pun tidak membuahkan hasil karena ia terjatuh di lap ketiga balapan. Setelah itu, beberapa hasil balapan yang mengecewakan menyusul kecuali pada balapan basah di Donington, di mana ia finis di posisi keenam dan di Jepang, di mana dia finis keempat meskipun terjatuh dari posisi kedua saat mengejar pemimpin balapan Mattia Pasini.
2008
Untuk 2008, Di Meglio ditawari untuk balapan dengan tim Finlandia Ajo Motorsport, berpasangan dengan Dominique Aegerter. Dia kembali menggunakan motor Aprilia, tetapi secara resmi balapan untuk perusahaan saudara Aprilia, Piaggio, yaitu Derbi. Dia mengendarai motor pabrikan Derbi RSA 125. Kampanyenya dimulai dengan lambat di Qatar dan finis di urutan keempat, dikalahkan oleh Stefan Bradl dalam perebutan podium. Di Spanyol dan Portugal, Di Meglio meraih poin kecil dan tertinggal dari penantang gelar Simone Corsi, tetapi memulai China, kecepatan Corsi mulai menurun, termasuk kecelakaan akibat insiden kecil dengan Lorenzo Zanetti dan juara dunia bertahan Gábor Talmácsi kesulitan yang memungkinkan Di Meglio untuk mengambil keuntungan penuh. Kemenangan di Grand Prix Prancis yang dipersingkat memulai rangkaian kemenangan konsisten yang berlangsung hingga San Marino di mana ia mengalami kecelakaan saat bertarung memperebutkan posisi ketiga dengan Corsi. Di Grand Prix Australia, Di Meglio menjadi orang Prancis kedua yang memenangkan kejuaraan dunia setelah Arnaud Vincent.
Kejuaraan Dunia Moto2
2010
Tahun 2010 menyaksikan debut kelas Moto2 sebagai kelas menengah baru dalam balap Grand Prix, menggantikan kelas 250cc. Di Meglio gagal memanfaatkannya sepenuhnya, dengan beberapa hasil balapan yang buruk dalam tiga balapan pertama musim ini dan kecelakaan di Mugello. Di Meglio meraih poin pertamanya di Inggris dan Belanda dengan finis di urutan ketujuh dan kedelapan secara berturut-turut. Meskipun meraih hasil bagus di putaran-putaran tersebut, ia gagal kembali kompetitif hingga Australia di mana ia finis di posisi keenam, setelah memulai dari barisan depan.
2011
Pada tahun 2011, Di Meglio pindah ke program Moto2 Tech3, dan finis di posisi ke-23.
2012
Pada 2012, Di Meglio membagi musimnya antara tim Speed Up, MZ, dan Kiefer Racing. Pada akhirnya, ia berhasil naik ke peringkat 22 dalam kejuaraan tersebut.
2013
Di Meglio pindah ke tim JiR untuk 2013 dengan motor yang disponsori Motobi. Dia menyelesaikan musim di posisi ke-20.
Kejuaraan Dunia Balap Ketahanan FIM
2017–2018
Pada musim berikutnya, Di Meglio tetap bersama GMT94 dan rekan setimnya, Canepa dan Checa. Tim tersebut meraih satu kemenangan di Bol d'Or dan akhirnya finis di posisi ke-2 di belakang F.C.C. TSR Honda France.
2018–2019
Untuk musim 2018–2019, Di Meglio pindah ke F.C.C. TSR Honda France, menggantikan rekan senegaranya Alan Techer untuk berpasangan dengan Joshua Hook dan Freddy Foray. Mereka meraih kemenangan di Bol d'Or dan Oschersleben 8 Jam, dan finis di posisi ke-2 dalam kejuaraan tim dan pembalap Team SRC Kawasaki France.
