そんな小椋は、2018年にMoto3クラスにもワイルドカード参戦し、ロードレース世界選手権デビューを果たして初参戦ながらもポイントを獲得。印象的な走りを披露したことから、2019年からはHonda Team AsiaからMoto3クラスにフル参戦を開始した。初年度は総合10位にとどまったが、2年目の2020年は計7度の表彰台に上がり、一時はポイントリーダーにもなるなどタイトル争いも演じた。
そして2021年からはMoto2クラスに昇格し、IDEMITSU Honda Team Asiaに参入。初年度は8位となったが、2022年には、第6戦スペインGPでMoto2キャリア初のポール・トゥ・ウインを成し遂げ、第13戦オーストリアGPとシーズン中に2度達成。第16戦日本GPで優勝を飾り、3度の優勝を含む計7度の表彰台を獲得し、タイトル争いを展開した末にランキング3位に輝いた。