Nel 2016 corre il GP d'Italia in sostituzione dell'infortunato Philipp Öttl sulla KTM RC 250 GP del team Schedl GP Racing, chiudendo in quindicesima posizione ed ottenendo un punto mondiale.[1] Torna in pista nella Moto3 per il Gran Premio d'Olanda in sostituzione dell'infortunato Jorge Navarro, chiudendo la gara in decima posizione.[2] Sempre nel 2016 viene designato, a partire dal GP di Gran Bretagna, quale sostituto di Romano Fenati in seno allo SKY Racing Team VR46.[3] Chiude la stagione al trentesimo posto con 12 punti ottenuti.
Nel 2019 rimane nello stesso team, con compagno di squadra Marcos Ramírez. Ottiene quattro vittorie (Germania, Giappone, Australia e Malesia), sei secondi posti (Qatar, Francia, Italia, Olanda, Repubblica Ceca e Thailandia), un terzo posto in Gran Bretagna, una pole position in Spagna e 279 punti iridati. Il 27 ottobre 2019 ottenendo la vittoria durante il Gran Premio di Australia conquista il campionato mondiale Moto3 con due gare di anticipo. È il primo italiano a vincere in questa categoria da quando la Moto3 ha sostituito la classe 125.[5] Dalla Porta è riuscito così a riportare il titolo della classe di minor cilindrata all'Italia, a 15 anni di distanza dall'ultimo vincitore della categoria, nell'allora classe 125, Andrea Dovizioso.
Nel 2020 corre in Moto2 col team Italtrans Racing, alla guida di una Kalex Moto2, il compagno di squadra è Enea Bastianini. Ottiene come miglior risultato un tredicesimo posto nel Gran Premio di San Marino e termina la stagione al 27º posto con 5 punti.[6] Nel 2021 rimane nello stesso team, con compagno di squadra Joe Roberts. In questa stagione è costretto a saltare il Gran Premio di Gran Bretagna a causa di un problema alla spalla sinistra, che verrà poi sottoposta a intervento chirurgico, cosa che porta alla chiusura anzitempo della stagione, dopo il Gran Premio di San Marino.[7] Giunge ventisettesimo in classifica finale con 10 punti.[8] Nel 2022 inizia il terzo anno con Italtrans, totalizza ventuno punti e chiude al ventiduesimo posto in classifica.[9] Nel 2023 inizia il campionato di Moto2 con il team Petramina Mandalika SAG, dopo una separazione consensuale dalla squadra disputa ancora due gare con il team Forward Racing senza ottenere punti.[10] Successivamente disputa il secondo Gran Premio del Mugello nella classe Supersport del campionato italiano ottenendo nove punti. Passa quindi a gareggiare nel mondiale Supersport dove sostituisce Andrea Mantovani nel team Evan Bros. Yamaha.[11] Totalizza quarantaquattro punti classificandosi al diciassettesimo posto.[12] Nel 2024 il pilota toscano è ingaggiato dal team Altogo per gareggiare nel campionato italiano Supersport oltre ad alcune wild card nel mondiale. La collaborazione finisce prima del termine di entrambe le competizioni.[13] I punti conquistati consentono comunque a Dalla Porta di classificarsi ottavo nel campionato nazionale (dove ottiene l'unica affermazione stagionale per Yamaha.[14]) e ventottesimo nel mondiale.[15] Sempre con la casa dei tre diapason, prende parte ad alcune prove della categoria Stock nel Campionato Europeo Velocità.
^ Alessio Brunori, Moto3 Assen: Lorenzo Dalla Porta sostituirà Jorge Navarro, su motograndprix.motorionline.com, Motorionline S.r.l., 15 giugno 2016. URL consultato il 26 giugno 2016 (archiviato dall'url originale il 29 giugno 2016).
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