Elia Viviani begon zijn profcarrière in 2010 bij Liquigas. Hij was ploegmaat met de eveneens debuterende Peter Sagan. Zijn eerste WorldTour-overwinning behaalde Viviani in 2011 in de Tour of Beijing. Een jaar later sloeg hij hier voor een tweede maal toe op WorldTour-niveau. Tijdens het Critérium du Dauphiné won hij voor het eerst op Europese bodem een WT-koers door in etappe 2 Gianni Meersman en Tony Gallopin voor te blijven.

Jaren bij Team Sky
In 2015 wisselt Viviani voor het eerst van werkgever: hij tekent bij Team Sky, waar hij drie jaar zal verblijven. Tijdens de eerste rittenkoers die hij in 2015 rijdt voor Team Sky – de Dubai Tour – weet hij de twee etappe te winnen. Bij zijn eerste optreden voor de Britse formatie in een grote ronde spurt Viviani bij de eerste mogelijkheid naar ritwinst tijdens etappe 2 van de Giro. Hoewel hij dat jaar in een grote ronde niet verder toeslaat, boekt hij wel de nodige successen op zowel weg als baan. In totaal wint Viviani dat jaar negen keer op de weg. Op de baan prolongeert hij zijn Europese titel op het omnium.

Een jaar later lijkt er van de goede vorm van zijn eerste jaar echter weinig meer over. Hij wint slechts twee keer. Beide keren in een tweede etappe. Eerst in de Dubai Tour, later dat voorjaar in de Driedaagse De Panne. De echte successen dat jaar boekt Viviani op de velodrome: hij wint vier keer een baanwedstrijd, met als absoluut hoogtepunt een gouden medaille op de Spelen van Rio de Janeiro op het onderdeel omnium.

Het is een jaar later aan de resultaten af te lezen dat Elia Viviani zich weer volledig op de wegkoersen richt. Hij wint in totaal tien maal, al wordt hij zeven keer tweede voordat hij eind april zijn eerste zege van het jaar pakt in etappe 3 van de Ronde van Romandië. Bij Team Sky krijgt sprinter Viviani echter niet de kansen die hij wil hebben, met name in grote rondes kan hij steun vergeten. Het duwt hem richting de uitgang en in de armen van Patrick Lefevere.

Topjaar
Viviani beleeft zijn beste jaar ooit in dienst van Quick-Step. Hij domineert het hele seizoen door. Zijn zegereeks begint in januari tijdens Tour Down Under. Vervolgens wint hij twee etappes en het klassement in de Dubai Tour, wint hij liefst vier etappes (en de paarse puntentrui) in de Giro d’Italia en pakt hij tijdens de Adriatica Ionica Race tijdens de vijf etappes drie individuele zeges om daarnaast met Quick-Step ook de openingsploegentijdrit te winnen. Viviani zet zijn topjaar kracht bij door op een glooiend parcours Italiaans kampioen op de weg te worden. Ook wint hij etappe 3, 10 en 21 in de Ronde van Spanje. Aan het eind van het jaar is Elia Viviani de zegekoning van het jaar, met niet minder dan negentien individuele zeges. Ook wordt hij op de baan Europees kampioen ploegenachtervolging.

2019 begint uitstekend voor de Italiaan: hij wint meteen de eerste etappe in de Tour Down Under en sprokkelt zijn zeges mee in de eerste maanden. Vanaf medio maart stokt de productie echter. Het zal tot juni duren voordat hij weer prijs heeft: in de Ronde van Zwitserland is Viviani tweemaal primus. Etappe 4 van de Tour de France is zijn enige grote ronde-succes dat jaar. Het hoogtepunt is ongetwijfeld zijn Europese titel op de weg. In een winderig parcours rondom Alkmaar koerst Viviani aanvallend. Hij rijdt met mede-sprinter Pascal Ackermann en ploeggenoot Yves Lampaert naar de meet. Lampaert is in de sprint geen partij voor Viviani. Op de baan is zijn grootste wapenfeit een Europese titel op de afvalkoers.

Daags na zijn Europese titel op de weg komt het bericht naar buiten dat Elia Viviani per 2020 voor het Franse Cofidis uitkomt.