Rio Haryanto memulai karier balapnya dengan gokart sejak usia enam tahun pada 1999. Tahun yang sama, ia berhasil menjuarai kadet gokart nasional. Prestasi ini berlanjut dengan penghargaan Best Gokart dari Ikatan Motor Indonesia pada 2005 dan 2006. Pada 2008, Rio memenangi seri pertama Kejuaraan Asia Karting Terbuka di Makau.
Setelah tujuh tahun berkarier di gokart, Rio beralih ke Formula Asia Renault dan Formula Asia 2.0, lalu berlaga di Formula BMW Pacific pada 2009. Di sana, ia mencetak enam kemenangan, 14 podium, dan keluar sebagai juara umum.
Pada 2010, Rio bergabung dengan GP3 Series bersama Manor Racing, meraih podium di Turki, Silverstone, dan Monza. Pada 2011, ia mencetak kemenangan beruntun di Nurburgring dan Hungaroring, serta dinobatkan sebagai The Best Win of Season GP3 Series.
Debutnya di GP2 Series dimulai pada 2011, dan pada 2012 ia membalap penuh dengan Tim Carlin. Rio mencetak beberapa prestasi seperti fastest lap, pole position, dan peringkat ke-14 di musim debutnya. Pada musim berikutnya, ia mengakhiri GP2 di peringkat keempat dengan 138 poin.
Rio mencetak sejarah pada 2016 sebagai pembalap Indonesia pertama di Formula 1 bersama Manor Racing. Ia menjadi satu-satunya pembalap Asia pada musim tersebut. Namun, debutnya di F1 diwarnai berbagai tantangan, seperti insiden di GP Australia dan kendala teknis di beberapa balapan lainnya. Rio akhirnya harus undur diri dan digantikan Esteban Ocon.
Meskipun hanya bertahan selama 12 balapan akibat kendala pendanaan, Rio menunjukkan performa terbaiknya, termasuk finis ke-15 di GP Monako.
Setelah mengakhiri karier di F1, Rio fokus pada bisnis keluarga, termasuk divisi security printing yang memproduksi dokumen penting seperti ijazah. Ia juga membuka restoran di Colomadu, Karanganyar, serta tetap aktif dalam balapan ketahanan seperti Blancpain GT World Challenge Asia.