Mayo werd in 2000 prof bij de Baskische Euskaltel-ploeg. In 2001 brak hij door met winst in de Midi Libre en een jaar later bevestigde hij met een vijfde plaats in de Ronde van Spanje zijn kwaliteit. Zijn grootste zege tot nu toe behaalde hij tijdens de Tour de France van 2003, waar hij in de achtste etappe naar Alpe d'Huez als eerste bovenkwam. Hij werd dat jaar zesde in het eindklassement.

In 2004 was hij één van de grote favorieten van de Tour de France, onder meer door zijn indrukwekkende prestaties in de Dauphiné Libéré van dat jaar. Hij kwam echter ten val in de derde etappe en verliet zelfs de wedstrijd in de vijftiende etappe. Later dat jaar werd bij hem klierkoorts geconstateerd. Sindsdien vielen de prestaties tegen, ook al leek hij in de lente van 2006 weer wat op te bloeien. Net voor de Tour won hij zelfs de koninginnerit in de Dauphiné Libéré. Zou hij toch nog eens een goede Tour kunnen rijden?

Voorafgaand aan de Ronde van Frankrijk 2006 werd Mayo, nadat de van dopinggebruik verdachte topfavorieten Jan Ullrich en Ivan Basso deze Tour moesten laten schieten, zelfs terug bestempeld als één van de mogelijke opvolgers van de gestopte 7-voudig Tour-winnaar Lance Armstrong. Mayo bleek echter geen schim van de renner die hij in 2003 was. Hij strompelde de eerste bergen op en verliet in de 11e etappe de Tour, die voor hem weer op een fiasco was uitgedraaid.

Net na de Tour leek hij in een depressie te sukkelen. Maar hij herpakte zich, en won enkele weken later de Ronde van Burgos en de Subida Urkiola, een eendagswedstrijd daags na de Clásica San Sebastián.

Ook in de Vuelta presteerde hij niet naar behoren, hij toonde zich maar een 2 keer door aan te vallen in een bergrit, zonder resultaat, en in een ontsnapping, die gegrepen werd. In het klassement eindigde hij ver buiten de top-20.

Hoogtes en laagtes wisselen zich blijkbaar af bij de Bask. Zijn team Euskaltel had hier blijkbaar ook genoeg van en drong aan op een loonsverlaging. Mayo bereikte geen akkoord en toen Saunier Duval hem een aantrekkelijker voorstel deed, ging hij daar op in. Voor zijn nieuwe team behaalde hij al een mooie overwinning, een rit in de Giro d'Italia, waaraan hij voor het eerst meedeed. In deze Giro bleek Mayo een abnormaal testosterongehalte te hebben, maar door middel van onderzoek kon men aantonen dat het om lichaamseigen testosteron ging.

Ook kon hij eindelijk weer eens goed presteren in de Ronde van Frankrijk. Mayo reed vooral goed in de Alpen en stond een tijdje op de 3e plaats in het klassement. In de Pyreneeën zakte Mayo echter weg, hoewel hij in de 16e etappe nog wel mee was in de aanval. Uiteindelijk eindigde Mayo als 16e in het eindklassement.

Op 30 juli 2007 werd door de UCI bekend gemaakt dat Mayo is betrapt op het gebruik van EPO. De Spanjaard testte positief op de tweede rustdag van de Ronde van Frankrijk, tussen de tweede en derde Pyreneeënrit. Saunier Duval heeft Mayo direct geschorst.