A gyermekkora óta Madridban nevelkedett Mayoral teljes felnőtt pályafutása alatt a Real igazolt játékosa volt, noha az utóbbi években több csapatnak is kölcsönadta őt a spanyol rekordbajnok. A huszonötéves támadó a 2017-18-as szezonban tagja volt a Bajnokok Ligáját nyerő csapatnak is, ráadásul a Borussia Dormund elleni hazai csoportmérkőzésen be is talált a kapuba.
Kipróbálta magát a Bundesligában a Wolfsburg színeiben, de két Levante-szezont követően a Roma mezét is viselhette másfél éven keresztül:
2020-21-ben az Európa-liga gólkirálya lett, majd a tavaly őszi szereplése miatt Európa Konferencia Liga-győztesnek is mondhatja magát.
2022 elejétől a szintén madridi Getafe csapatát erősítette, amellyel tizennyolc mérkőzésen hat gólig és egy asszisztig jutott. A csapat olyannyira meg volt elégedve a játékával, hogy tízmillió euróért meg is vásárolták a Realtól, a szerződése pedig 2027 júniusáig szól.
A spanyol felnőtt válogatottban Mayoral még nem mutatkozott be, azonban
utánpótlásszinten az U19-es és az U21-es csapattal is Európa-bajnoki címet szerzett korábban.