El 1996 debutà en el campionat del món, on seguí una trajectòria fulgurant: amb una moto Aprilia fou campió del món de 125 cc l’any 1997, subcampió del món de 250 cc el 1998 i campió del món de 250 cc el 1999. El 2000 fitxà per l’equip Honda, en 500 cc, amb el qual fou subcampió del món en la primera temporada, i el 2001 assolí per primera vegada el títol mundial de la màxima categoria en guanyar 11 dels 16 grans premis del campionat. A 22 anys, Rossi es convertí en el pilot més jove que ha aconseguit els títols en les tres categories. La temporada 2002, confirmà l’hegemonia en proclamar-se campió de la primera edició de la nova categoria màxima de motociclisme, el campionat de MotoGP. El 2003 repetí l’èxit i el 2004 fitxà per Yamaha, marca a la qual també féu campiona del món en MotoGP, categoria en què tornà a guanyar el 2005, el 2008 i el 2009. L’any 2011 rebé un premi Laureus al millor retorn després d’una lesió que el tingué apartat poc mes d’un mes de la competició. En finalitzar la temporada 2020-21 anuncià la seva retirada de la competició motociclista.