500 cc y MotoGP

Los años con Honda (2000-2003)

En el año 2000 debutó en los 500 cc pilotando la Honda NSR500, quedó segundo en el campeonato a 49 puntos de Kenny Roberts Jr.

En 2001, la última temporada antes de la sustitución de esta categoría por MotoGP, continuó en el equipo Nastro Azzurro pilotando la NSR500, con la que consiguió 11 victorias, igualando la marca de la categoría en poder de Giacomo Agostini desde 1972, si bien entonces fue sobre sólo 13 carreras. Esa temporada Rossi sumó su tercer título mundial, primero en la categoría. Ese mismo año Valentino se prueba en la carrera más importante del mundial de resistencia: las 8 horas de Suzuka, ganándola junto con su entonces compañero Colin Edwards.

En el año 2002 debutaron las MotoGP de 990 cc, y Rossi fichó por el equipo Honda Repsol HRC, pilotando la RC211V de 5 cilindros. Esa temporada ganó un mundial en el que todos los pilotos eran "novatos" por una distancia de 140 puntos sobre el segundo, Max Biaggi, que pilotaba la primera Yamaha M1 de cuatro tiempos.

En 2003 Rossi ganó 9 carreras en la misma temporada. Era su quinto título mundial y el tercero consecutivo en la clase reina. Al final de esta temporada se supo que Rossi había fichado por la marca rival de Honda: Yamaha, debido a las diferencias que tenía HRC con Rossi. En el GP de Valencia 2002 Barros, que había estado todo el año corriendo con la NSR500, se subió por primera vez a una 4T y le ganó a Rossi.

Campeón con Yamaha (2004-2005)

En 2004 Rossi compitió para Yamaha. En 2005 ganó de nuevo el mundial de motociclismo en la carrera disputada en el circuito de Sepang, el 25 de septiembre de aquel año. Ganó 11 de las 18 carreras disputadas, sumó 16 podios, ganando 367 de 425 puntos posibles y se retiró sólo una vez, en el Gran premio de Japón.

El regreso del campeón (2008)

En 2008 vuelve con Yamaha pero con neumáticos Bridgestone en vez de Michelin. Pierde en las tres primeras carreras y Stoner, Pedrosa y su compañero de equipo, el debutante Jorge Lorenzo se alzan con el podio. Luego gana 3 carreras consecutivas.

Tras hacer la Pole Position y ganar la carrera en Indianápolis supera el récord de Giacomo Agostini de 68 victorias en la máxima categoría. Y su victoria número 70 en MotoGP llega en Motegi (GP de Japón) logrando así nuevamente el campeonato a falta de tres carreras para finalizar el mundial.

Tras ser segundo en Australia, ganar la carrera en Malasia y quedar tercero en Valencia, Rossi, con 373 puntos supera el récord de la mayor cantidad de puntos obtenidos en una sola temporada.

Noveno título mundial (2009)

En 2009, de nuevo con Yamaha, tras un tercer puesto en Mugello, Rossi termina primero.

El 27 de junio, en el gran premio de Holanda en Assen, Valentino consigue la centésima victoria de su carrera y lo celebra con una gigantesca pancarta con fotos de cada una de sus 99 victorias anteriores. Queda en segunda posición en Laguna Seca, triunfa en Alemania y queda en quinta posición después de una caída en Indianápolis.

2010: Año para olvidar

Este año Valentino gana la primera carrera en Qatar y queda 3º en Jerez y 2º en LeMans. Luego sufre una caída en su circuito talismán, Mugello que le provoca una fractura de la tibia y el peroné derechos ante la triste mirada de sus "tifosi", perdiéndose así varias carreras y es dado de baja entre un mes y dos meses y medio. Fue enviado en helicóptero al Hospital de Florencia, donde sería operado esa misma tarde. Tres grandes premios después de su caída volvió a competir, con una Yamaha en el GP de Sachsenring. Llegó en cuarto puesto.El 25 de julio se disputa el Gran Premio de los Estados Unidos y llega en la tercera posición.

El 15 de agosto, tras el Gran Premio de la República Checa en Brno, se confirma su fichaje por Ducati. Figuraría cuarto en Indianápolis y tercero en San Marino y culmina con un séptimo puesto en el GP de Aragón. En el GP de Malasia, Rossi consigue su segunda victoria de la temporada.⁸​ En el circuito australiano de Phillip Island termina tercero y en Portugal termina segundo. Queda en tercer lugar en el cierre de temporada en Cheste.

2011/2012: La era Ducati

En 2011, Valentino iniciaba la aventura con la Ducati, un amor imposible. Comenzó el año mermado físicamente, algo que nunca había ocurrido antes. Sus operaciones de hombro (caída haciendo motocross) y pierna (rotura en los entrenamientos libres del GP de Italia 2010), le acarrearon más problemas de los esperados. Valentino se mantuvo muy lejos de la zona de cabeza durante toda la temporada y sólo pudo lograr un podio en Le Mans (3º puesto). Su séptimo puesto final sólo le sitúa por delante del noveno de su temporada mundialista como debutante en 1996. Además, en la penúltima carrera de la temporada en Sepang, se vio involucrado junto a Colin Edwards en el accidente que acabó con la vida de Marco Simoncelli.

El año 2012 no iba a ser mejor para Valentino. A pesar de hacer cambios revolucionarios en la moto, no consiguió las prestaciones deseadas y la relación con Filippo Preziosi se empezó a deteriorar, hasta llegar al punto de abandonar Ducati a final de temporada sin haber conseguido ninguna victoria.

2013: Retorno a Yamaha

Después de muchos rumores, la marca Yamaha confirmó en agosto de 2012 que Valentino sería su piloto junto a Jorge Lorenzo para la siguiente temporada. Sin duda una gran noticia para Yamaha y para Rossi, después de lo que vivió en lo que iba a ser su "sueño italiano" junto a Ducati, finalmente vuelve a la marca japonesa con más ilusión y ganas. Rossi logró una victoria en Assen, 6 podios, y 8 cuartos puestos, de modo que finalizó cuarto en el campeonato general.

2014

Dispuestos a hacer cambios, Rossi a finales de la temporada 2013, en concreto antes de llegar a Valencia lo confirmó, Jeremy Burgess no seguiría siendo el jefe de mecánicos después de 14 años juntos, 80 victorias en la categoría reina, 147 podios y nada menos que 7 títulos mundiales. El sustituto de Burgess en la nueva temporada 2014 será Silviano Galbusera, quien anteriormente ha trabajado con Yamaha en el Mundial de Superbike con Ben Spies y Marco Melandri y también ha acompañado a Marco en sus dos últimos años en BMW, la intención de Valentino es mantener al resto del equipo.

Rossi comenzó bien la temporada, obtuvo ocho podios, antes de conseguir su primera victoria del año en Misano. En Phillip Island, el italiano logró el triunfo, beneficiándose de un accidente de Marc Márquez, cuando él lideraba la carrera, siendo la sexta victoria de Rossi en el circuito australiano, después de cinco victorias consecutivas de 2001 a 2005. Finalizó segundo en el campeonato de pilotos, detrás de la Honda de Marquez por amplio margen.

2015

Este es el año en el que Rossi estuvo más cerca de conseguir su décimo título desde su regreso a Yamaha. Además de la rivalidad con Jorge Lorenzo, compañero de equipo antes de marcharse a Ducati y con quien acabaría jugándose el campeonato, este año estuvo marcado por su rivalidad con Marc Márquez. Ambos pilotos mantenían una buena relación que se deterioro a lo largo del año por culpa de incidentes como los ocurrios en el Gran premio de Argentina y en el de Holanda en el que en la última chicane llegaron a tocarse y en la que el italiano acabaría llevandose la victoria tras hacer un recto.

A esto siguieron diferentes acusaciones por parte del italiano asegurando que Marquez estaba tratando de beneficiar a Lorenzo en su lucha por el campeonato.

A pesar de lo incidentes en las primeras 12 fechas de la temporada, Rossi logró estar en el podio en todas, destacando cuatro victorias en Qatar, Argentina, Países Bajos y Gran Bretaña. En Misano, Rossi finalizó quinto, cortando la racha de 16 podios consecutivos.

Durante la penúltima carrera en Sepang, Marc Marquez, sin posibilidades de ganar el campeonato y a pesar de salir desde la pole, acabó enzarzandose en una batalla por la tercera posición con Rossi, el catalán se mostró muy agresivo en los continuos adelantamientos que se sucedieron entre los dos.

Rossi convencido de que el piloto de Honda estaba tratando de perjudicarle y al ver que no respetaba la regla no escrita de "no molestar" a los pilotos que se están jugando el campeonato mostró su enfado con diferentes gestos acabo por perder la calma, sacando deliberadamente a piloto de Honda de la trazada y empujándolo hasta que este termino en el suelo.

Dirección de carrera decidio castigar a Rossi por su acción obligándole a salir último en la prueba de Valencia que cerraba el campeonato.​ Esta medida ponía el título en bandeja a Lorenzo que solo debía remontar siete puntos al italiano. Los ánimos se caldearon y las declaraciones cruzadas se sucedieron, tanto la prensa española como la italiana elevaron el tono tomando partido por sus pilotos en un ejercicio de amarillismo.

En Valencia desde la última posición Valentino Rossi consiguió escalar hasta la cuarta posición, por delante, Lorenzo se situó primero y domino la carrera de principio a fin escoltado por Márquez que en ningún momento plantó batalla. Así el italiano quedó subcampeón, detrás de Lorenzo por 5 puntos, con un total de 4 victorias y 15 podios en un campeonato de altísimo nivel ensombrecido por las continuas acusaciones cruzadas de falta de deportividad.