Rio Haryanto commence à faire du karting en 1999, à l'âge de six ans. En 2007, il est sacré champion Junior Asie. L'année suivante, il découvre la monoplace en s'engageant en Formule Renault asiatique et en Formule Asia 2.0. Il se classe troisième de ce championnat. En 2009, il passe en Formule BMW Asia et remporte le championnat avec six victoires et onze podiums en quinze courses.

En 2010, Manor Motorsport l'engage en GP3 Series. Il remporte une victoire et se classe cinquième du championnat. En fin de saison, à Abou Dabi, il réalise ses premiers essais en Formule 1 avec Virgin Racing. En 2012, il se classe septième du championnat GP3 avec deux victoires.

Il est engagé en GP2 Series pour la saison 2012 par l'écurie Carlin, mais termine à une modeste quatorzième place au championnat, avec comme meilleur résultat une cinquième place en Espagne et une pole position sous la pluie à Spa. Pour sa deuxième saison en GP2, il rejoint l'écurie Barwa Addax et obtient son premier podium à Silverstone, mais ne termine que dix-neuvième du championnat. Il s'engage ensuite avec l'équipe Caterham Racing en 2014 et obtient comme seul bon résultat une troisième place lors de la deuxième course à Monaco.

En 2015, Rio dispute sa quatrième saison en GP2 Series avec une quatrième écurie, Campos Racing. Il remporte trois courses sprint et se classe quatrième du championnat.

Grâce au soutien financier du gouvernement indonésien, il rejoint l'écurie Manor Racing pour la saison 2016 et devient ainsi le premier pilote de ce pays en Formule 1. Après douze Grands Prix et une quinzième place, à Monaco, comme meilleur résultat, Rio est à court de budget. Il est remplacé par Esteban Ocon, mais devient le pilote de réserve de l'écurie.

Ne parvenant pas à trouver un volant, Rio annonce en 2018 qu'il met un terme à sa carrière pour se consacrer à l'entreprise familiale. Il fait néanmoins son retour à la compétition en 2019, au volant d'une Ferrari 488 GT3, pour participer aux Blancpain GT World Challenge Series en Asie ainsi que à quelques manches des Asian Le Mans Series en 2020.