Tak butuh berlama-lama, Rossi langsung naik kasta ke level 250 cc di tahun 1998. Rossi kembali mencuri perhatian dengan menggoreskan 21 podium dari 30 edisi balap, sebanyak 14 di antaranya berbuah kemenangan. Ia menyabet juara di kelas menengah itu pada 1999 bersama tim Aprilia.
Rossi langsung memilih naik kelas ke level utama yang saat itu mengusung kubikasi mesin 500 cc. Ia sukses membukukan 23 podium dari 32 GP dengan 13 kemenangan. Pembalap berjuluk The Doctor itu akhirnya keluar sebagai juara di tahun 2001 dengan tim Honda.
Kompetisi balap tertinggi mulai berganti nama menjadi MotoGP per 2002 hingga saat ini. Rossi memilih hengkang ke Yamaha karena kurang puas dengan performa kuda besi lamanya.
Rossi menerima tantangan dari tim berlogo garpu tala untuk mengarungi MotoGP musim 2003. Pilihannya berbuah tepat, ia menjadi perbincangan dunia dengan tradisi juara dari musim 2004 sampai 2009.
Di tahun 2009 itulah terakhir kali Rossi menjadi juara, lalu memutuskan hijrah ke Ducati selama tahun 2011-2012. Namun, pilihannya justru berbuah kegagalan karena tidak satupun gelar juara yang direbutnya. Pada 2013, ia memilih rujuk dengan Yamaha.
Rossi sempat menemukan ritme balapannya bersama Yamaha. Namun dengan kehadiran pembalap Repsol Honda, Marc Marquez, nama Rossi perlahan-lahan tersingkir dari peraih podium.
Baca juga : Ronaldo Beri Kejutan di Akhir Karier Rossi
Posisi Rossi semakin tertekan tatkala pembalap muda asal Prancis, Fabio Quartararo, mulai mencuri perhatian saat bergabung dengan tim satelit Yamaha SRT Petronas. Performa pembalap berusia 22 tahun itu terus menanjak. Mimpi buruk Rossi pun terwujud karena tim utama Yamaha menukar dirinya dengan Quartararo di musim 2020.
Rossi sudah mulai menunjukkan isyarat bakal pensiun dalam waktu dekat. Namun ketika pandemi Covid-19 melanda dunia sejak 2020 lalu, ia mengurungkan niatnya sambil serius di tim satelit Yahama. Hingga akhirnya, keputusan Rossi sudah bulat. Ia ingin fokus mengelola tim balap besutannya, VR46, yang sedang naik daun.