Esordisce all'età di sette anni nel minicross, dove vince ripetutamente titoli regionali e, nel 1999, il titolo seniores. Sale poi tutta la trafila delle categorie: élite, cadetti ed Europeo85. Nel 2001 arriva alla categoria 125, dove vince il titolo regionale e nazionale cadetti. Dal 2003 esordisce nel FIM Motocross World Championship, esplodendo nel 2004, quando vince una gara (a Loket, in Repubblica Ceca) e arriva 3° in classifica finale. L'anno successivo (2005) giunge 2° nel campionato italiano 125, ma si laurea campione mondiale nella classe MX2, nonostante l'infortunio patito nel Gran premio d'Olanda sul circuito di Lierop.
Nel 2006 non riesce a ripetere l'impresa a causa di qualche disattenzione e un infortunio al polso patito nell'ultima prova del mondiale 2005 che ha condizionato pesantemente la sua preparazione invernale ma si classifica comunque al secondo posto nel mondiale MX2 dietro al francese Christophe Pourcel. Sempre nel 2006 si laurea Campione Europeo SuperCross e primo assoluto negli Internazionali d'Italia nella classe MX2, nello stesso anno durante il Gran Premio delle Nazioni disputato in Inghilterra con la maglia azzurra della rappresentativa italiana, ottiene una vittoria di manche storica davanti ai più accreditati piloti statunitensi.
Nel 2007, Cairoli, tornato al numero 222 che gli ha portato fortuna in passato domina il mondiale dall'inizio alla fine, conquistando quasi tutte le gare in programma e vincendo il titolo con due gare d'anticipo il 19 agosto. In seguito, la sua scuderia gli chiede di partecipare a una gara del mondiale MX1 per permettere alla Yamaha di conquistare il titolo costruttori data l'assenza di Joshua Coppins per infortunio, ottiene così una sorprendente vittoria nel GP del Regno Unito il 26 agosto. Al termine della stagione 2007 è convocato nella nazionale italiana al Motocross delle Nazioni in terra americana al fianco di David Philippaerts, Davide Guarneri e Salvini.
Dalla stagione 2008 la sua moto veste i brillanti colori blu Yamaha, oltre che il famoso giallo e rosso dello sponsor Red Bull. Le grafiche della sua moto sono realizzate dalla Why Stickers. Nel corso del 2008, Cairoli si infortuna al ginocchio così termina la stagione senza poter riuscire a difendere il suo titolo di campione del mondo. Al momento dell'infortunio, avvenuto prima dell'estate, era in testa alla classifica generale.
Nel 2009 inizia la sua prima stagione in MX1, vincendo la seconda gara della stagione. Vince il campionato del mondo MX1 il 30 agosto dopo la gara di Lierop nei Paesi Bassi, con una gara di anticipo sul diretto rivale Maximilian Nagl, pilota ufficiale della KTM. Subito dopo la stagione agonistica 2009 entra a far parte del team KTM con gran parte dello staff che lo ha seguito nella stagione appena conclusasi. Nel 2010 Cairoli gareggia con la nuova KTM SXF 350 nel mondiale di motocross categoria MX1. Il suo sogno nel cassetto è gareggiare nel Supercross
