2001 wurde Starace Tennisprofi. 2004 erreichte er als Qualifikant mit Siegen über Dmitri Tursunow und Sébastien Grosjean die dritte Runde der French Open. Dort unterlag er der ehemaligen Nummer 1, Marat Safin, nach zwei vergebenen Matchbällen knapp in fünf Sätzen mit 7:64, 4:6, 6:3, 5:7 und 5:7. Im selben Jahr erreichte er die zweite Runde der US Open und gab sein Debüt im Davis Cup.
2007 zog er ins Finale des ATP-Turniers von Valencia ein, in dem er Nicolás Almagro in drei Sätzen unterlag. Bei den French Open erreichte er erneut die dritte Runde, in der er dem Weltranglistenersten Roger Federer unterlag.
Ende Juli erreichte er das Finale des Turniers von Kitzbühel, das er gegen Juan Mónaco verlor. Am 15. Oktober 2007 war Starace die Nummer 27 der Welt, seine beste Platzierung.
Am 22. Dezember 2007 wurde bekannt, dass Starace wegen illegaler Sportwetten ab dem 1. Januar 2008 für sechs Wochen gesperrt wurde.<ref>Starace und Bracciali in Italien gesperrt. In: news.ch. 22. Dezember 2007, abgerufen am 28. November 2016.</ref>
Bei den Australian Open unterlag er 2009 in der ersten Runde dem erst 16-jährigen Bernard Tomic, der damit zum jüngsten Spieler wurde, der jemals ein Match bei einem Grand-Slam-Turnier gewonnen hat.
2010 stand Starace im Finale des ATP-Turniers von Umag, in dem er in zwei Sätzen Juan Carlos Ferrero unterlag. 2011 erreichte er das Endspiel von Casablanca, das er in zwei Sätzen gegen Pablo Andújar verlor. Damit verlor er auch sein viertes ATP-Finale.
2012 erreichte Starace mit seinem Doppelpartner Daniele Bracciali das Halbfinale der French Open, sie unterlagen der an Nummer 1 gesetzten Paarung Maks Mirny/Daniel Nestor mit 3:6 und 4:6. Insgesamt gewann Starace auf der ATP World Tour sechs Turniere in der Doppelkonkurrenz.