
Seine ersten Radrennen absolvierte Rafal Majka für italienische Vereinsmannschaften, wobei er zu Ende der Saison 2009 beim UCI Continental team Miche-Silver Cross-Selle italia als Stagiaire (Anm. Radrennfahrer, der als Gastfahrer zur Erprobung an Straßenrennen teilnimmt) fuhr.
Seinen ersten Vertrag als Profi-Rennfahrer unterschrieb er schließlich mit der Saison 2011 beim internationalen Radsportteam UCI ProTeam Saxo Bank-SunGard. Hier sammelte er auch erste Erfahrungen bei der Rundfahrt Vuelta a España, konnte die Rundfahrt jedoch nicht beenden.
Erstmals in den Fokus einer breiteren Öffentlichkeit konnte sich Majka im Jahr 2013 bringen, hier konnte er erstmals ein schweres Etappenrennen auf einer Top 10 Platzierung beenden.
Bei der Giro d’Italia erreichte er überraschend den siebten Rang der Gesamtwertung und führte dabei die Nachwuchswertung Maglia Bianca über längere Zeit an.
Im darauffolgenden Jahr 2014 konnte er dieses Ergebnis noch verbessern und schob sich auf den sechsten Rang vor.
Seinen ersten Auftritt bei der Tour-de-France verdankte er einem Dopingverdacht bei einem Kollegen seines Rennteams, dem tschechischen Radrennfahrer Roman Kreuziger, gegen den 2014 durch den Weltradsportverband UCI ein Dopingverfahren eröffnet wurde. Majka wurde in Folge als Ersatz ins Touraufgebot nominiert.
Nachdem der Teamkapitän Alberto Contador sturzbedingt die Tour beenden musste, konnte Majka zwei Bergankünfte und in Folge die Bergwertung als Sieger beenden.
Nur wenige Wochen später konnte er ebenso zwei Etappenerfolge und mit dem anschließenden Gewinn der Gesamtwertung der Polen-Rundfahrt seinen bis dato größten Erfolg für sich verbuchen.
Im Folgejahr erreichte Majka bei der Tour de Suisse den zehnten Gesamtrang. Auch ein erneuter Tour de France Start wurde ermöglicht, hier konnte er als Helfer für den Kapitän Alberto Contador die elfte Etappe als Sieger abschließen, die Erfolge aus der Bergwertung des Vorjahres blieben jedoch außer Reichweite für ihn.
Den Höhepunkt des Jahres 2015 stellte der dritte Rang bei der Spanien-Rundfahrt dar, hier konnte er sich als Kapitän der Tinkoff-Saxo-Mannschaft seine erste Podiumsplatzierung im Rahmen einer Grand Tour sichern.
Im Jahr 2016 konnte er bei der Tour de France seinen Erfolg aus dem Jahr 2014 wiederholen, er absolvierte zum zweiten Mal in seiner Karriere die Bergwertung auf Rang eins. Bei den Olympischen Sommerspielen in Rio de Janeiro konnte er aufzeigen und die Bronzemedaille für Polen erringen.
Hierbei führte er als Ausreißer bis einen Kilometer vor dem Ziel, der spätere Olympiasieger Greg Van Avermaet sowie Silbermedaillengewinner Jakob Fuglsang konnten ihn jedoch ein- und überholen und verwiesen ihn auf den dritten Rang.
Nach dem Ablauf der Radrennsaison 2016 absolvierte Rafał Majka einen Teamwechsel zum deutschen Team Bora-Hansgrohe. Hier konnte er 2017 eine Etappe der Kalifornien-Rundfahrt sowie eine Etappe der Vuelta a España als Sieger abschließen.
Den Höhepunkt des Jahres stellte die Tour de Slovénie dar. Hier konnte er nicht nur eine Etappe, sondern auch die Bergwertung als Sieger beenden, Zudem schloss er die Gesamtwertung mit dem ersten Platz ab.
Bis Ende 2020 konnte er keinen weiteren Sieg erreichen. Im Anschluss an diese Saison wechselte er zum Team UAE Team Emirates. Hier konnte er schließlich 2021, nach einer Durststrecke von vier Jahren, bei der Vuelta a España 2021 die 15. Etappe als Gewinner absolvieren.
Nach 197 Kilometern konnte er seinen ersten Verfolger Steven Kruijswijk auf den zweiten Platz verweisen. Majka widmete diesen Sieg im Anschluss seinem verstorbenen Vater und seinen beiden Kindern.