Rennmaschinen sind speziell für den Betrieb auf Rennstrecken konstruierte Motorräder, die in der Regel von Werksteams namhafter Hersteller und einem Profi-Rennfahrer gefahren werden. Oft handelt es sich um Prototypen oder Unikate mit sehr geringen Stückzahlen oder aber um seriennahe Maschinen, die in verbesserter Form in einigen Rennserien eingesetzt werden. Im Allgemeinen besitzen Rennmaschinen keine Straßenzulassung und dürfen nur auf abgesperrten Strecken oder Straßen gefahren werden. Im Einsatz von Privatiers greifen auch modifizierte Serienmotorräder in die Rennsportszene ein, da nicht immer ein Motorradhersteller als Sponsor zur Verfügung steht.
In den Grundzügen ähneln Rennmaschinen der Kategorie Supersportler aus Serienfertigung sind aber in Hinblick auf Motorradrennen ohne Kompromisse auf Sportlichkeit ausgelegt. Besonders der Motor, das Fahrwerk und die Bremsen unterscheiden sich deutlich von der Serienfertigung, da diese Komponenten explizit für den Rennsport in Kleinstserien entwickelt und gefertigt werden. Auch das Fahrwerk ist auf extrem hohe Geschwindigkeiten ausgelegt sowie die spartanische Federung auf hohe Kurvengeschwindigkeiten. Der Motor wird durch Tuning auf exorbitante Drehzahlen getrimmt, um ein gewaltiges Drehmoment zu erzeugen. Auch die verwendeten Materialien für die Verkleidung der Rennmaschine bestehen für ein perfektes Leistungsgewicht aus Kohlefaser oder Kevlar.
In den meisten Klassen dominieren die Werksteams mit ihren Rennmaschinen das Geschehen im Rennsport. Besonders Motorräder aus japanischer Produktion stellen oft den Weltmeister. In den vergangenen Jahren konnte besonders Honda auf einer Honda CBR 600RR die Supersport-Klasse beherrschen. Die Superbike WM wird derzeit von einer Ducati 1089 F08 angeführt. Oberste Einrichtungen für die Regelung der Wettbewerbe ist die FIM (Fédération Internationale de Motocyclisme) auf weltweiter Ebene sowie die UEM (Union Européenne de Motocyclisme) in Europa.
Beliebte Rennmaschinen-Modelle sind: Honda CBR 600 RR, Kawasaki ZX-6 R Ninja, Suzuki GSX R 750, Yamaha YZF R6 und Aprilia RS 250