CATEGORIA 125 cc
En 1996 debuta en el campeonato del mundo en el equipo Aprilia-AGV y tras diez carreras en las que obtiene un tercer puesto como mejor resultado (ver cuadro en el apartado "Resultados"), obtiene su primera victoria en el Gran Premio de la República Checa de Motociclismo en Brno, después de haber obtenido la "Pole Position". En 1997 pasa al equipo oficial de Aprilia y obtiene su primer título mundial con su Aprilia RS125 tras ganar 11 carreras.
CATEGORIA 250 cc
Para 1998 Rossi pasa a la categoría de 250 c.c., pilotando otra vez para Aprilia junto a Loris Capirossi y el japonés Tetsuya Harada, en esta temporada gana las cuatro últimas carreras y hace una excelente presentación pero termina 23 puntos atrás del campeón, su compañero Loris Capirossi y sólo un punto adelante de su otro compañero de equipo cerrando una campaña perfecta para el equipo pero mejorable para la nueva promesa del motociclismo.
En 1999 Rossi es campeón después de ganar 9 carreras quedando a 48 puntos del segundo, Tohru Ukawa y a 100 puntos de su compañero de equipo Loris Capirossi, lo que le vale su ascenso a la máxima categoría.
500 cc y MotoGP
● Los años con Honda (2000-2003)
En el año 2000 debutó en los 500c.c. pilotando la Honda NSR500 y a pesar de cometer algunos errores ganó dos carreras y quedó segundo en el campeonato a 49 puntos de Kenny Roberts Jr. y es que ese año la Honda comtaba con una clara superioridad técnica sobre las demás motos de la parrilla.
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 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 c.c., y Rossi fichó por el equipo Honda Repsol HRC, pilotando la RC211V de 5 cilindros, una máquina invencible y en clara superioridad respecto a las demás. Esa temporada ganó el mundial en el que todos los pilotos eran "novatos" con clara superioridad, quedando a 140 puntos del segundo Max Biaggi, que pilotaba la primera Yamaha M1 de cuatro tiempos, claramente inferior a la Honda RC211V pero igualadas con las últimas NSR500 que seguían compitiendo.
En 2003 Rossi arrasó a la competencia, ganando 9 carreras en la misma temporada, y las RC211V ganaron 15 de 16 posibles, demostrando la superioridad sobre las demás motos y por supuesto volvió a ganar el campeonato. 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, que quería que las evoluciones llegaran con cierto retraso al resto de los pilotos de la casa, pero en Honda HRC no pensaban igual. Valoraban al Italiano y lo consideraban una pieza importante, pero nada más. Por eso en HRC, cuando lo consideraban oportuno, no dudaban en traspasar todos los reglajes de Rossi a otros pilotos. La gota que colmó el vaso cayó en el GP de Valencia 2002, cuando Barros (que había estado todo el año corriendo con la NSR500) subiéndose por primera vez a una 4T, ganó a Rossi limpiamente con los settings del “Doctor”.
● Campeón con Yamaha (2004-2005)
En 2004 Rossi compitió para esta marca considerada técnicamente inferior a la Honda en el campeonato anterior, ya que en 2003 los pilotos de Yamaha quedaron séptimo (Checa, empatado a puntos con Ukawa) y noveno (Barros) con un tercer puesto como mejor actuación en una carrera. Pero Rossi aceptó el reto y llevó a su nuevo equipo como jefe de ingenieros a Jeremy Burgess, que le había acompañado en Honda desde su primera temporada en el 2000. El resultado fue una moto altamente competitiva que logró un título mundial después de doce años para Yamaha, aunque el propio Rossi admitió que la Yamaha no era tan mala moto como se esperaban.
En el 2005, aún criticado por su paso a Yamaha, Rossi gana de nuevo el mundial de motociclismo en la carrera disputada en el circuito de Sepang, el 25 de septiembre de aquel año. Aún faltaban cuatro carreras para el final del campeonato. Esa temporada Rossi 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, demostrando una gran superioridad, quedando por delante de Melandri, Hayden y Edwards.
● La crisis de resultados (2006-2007)
El 2 de agosto de 2005, Rossi renueva el contrato con Yamaha, rechazando una oferta de Ducati y renunciando a las aspiraciones de una posible vinculación con la Scudería Ferrari en la Fórmula 1. En el 2006 Rossi clasifica segundo con 5 victorias, 6 menos que la temporada anterior principalmente por dos caídas, dos roturas de motor y un problema con la llanta de adelante. A 6 carreras del final del campeonato Rossi está a 51 puntos del líder pero empieza una remontada que emociona a sus muchos seguidores y en la última carrera está primero con 8 puntos de ventaja, pero tras una mala partida desde la primera posición Rossi cae al tratar de recuperar los puestos perdidos, condenándose al puesto 13 y cediendo el campeonato al estadounidense Nicky Hayden que rompe con la que parecía una interminable racha de victorias.
Para la temporada 2007 renovó con Yamaha y tuvo presentaciones muy irregulares: Ganó en Jerez, Assen, Estoril (donde dedica el triunfo a Colin McRae fallecido el día anterior a la carrera), llega segundo en Losail, Shanghái y Montmeló pero décimo en Estambúl y sexto en Le Mans. Al término de la carrera de Holanda, Rossi es segundo a 21 puntos del australiano Casey Stoner y su Ducati, tras ganar la carrera remontando desde el puesto 11. En el Gran Premio de Japón al término de la carrera pasada por lluvia, Rossi está en la 13ª posición permitiendo a su rival: Casey Stoner, quien llegó sexto, proclamarse campeón. En la clasificación del último gran premio en Valencia, Rossi cae y se causa traumas múltiples en la mano derecha pero aun así participa en la carrera de la que se retira por un problema electrónico cediendo también el segundo puesto del campeonato a Dani Pedrosa y con este tercer puesto definitivo completa su peor actuación en el mundial desde su noveno puesto en su debut en 1996.
● El regreso del campeón (2008)
En 2008, también con Yamaha pero ahora con neumáticos Bridgestone tras varios problemas en los años anteriores con sus Michelin, Rossi volvía como uno de los más fuertes aspirantes al título pero en las tres primeras carreras Stoner, Pedrosa y su compañero de equipo, el debutante Jorge Lorenzo le arrebatan lo alto del podio. Pero Rossi logra ganar 3 carreras consecutivas que lo lanzan de nuevo como un fuerte aspirante al título (Una de estas carreras fue su triunfo número 90 en el mundial que le permitió igualar el récord de Ángel Nieto).
Tras una no muy buena presentación en Holanda, en Laguna Seca se presenta una apasionante batalla por el primer puesto entre Stoner y Rossi que termina con una caída de Stoner quien acusaría a Valentino de causar por "ejecutar maniobras al límite" pero posteriormente se disculparía por sus declaraciones diciendo que actuó en el calor del momento y que no quería ninguna polémica.
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 cómodamente el récord de la mayor cantidad de puntos obtenidos en una sola temporada.
● Noveno título mundial (2009)
En 2009, de nuevo con Yamaha, Rossi se enfrenta a una de sus temporadas más interesantes por la rivalidad suscitada con su propio compañero de equipo: Jorge Lorenzo, quien le obliga a esforzarse en más de una carrera y con quien disputa el primer lugar en la clasificación durante casi toda la temporada.
Después de llegar como líder del campeonato a la cuarta carrera en Le Mans con 2 segundos puestos y una victoria, Valentino tiene una accidentada carrera en la que tiene que cambiar de moto 2 veces, se cae y es sancionado por exceder el límite de velocidad en boxes, lo que lo deja con dos vueltas perdidas respecto al líder y por primera vez en su carrera cruza la meta sin hacer puntos, en el puesto 16.
Tras un tercer puesto en Mugello, Rossi protagoniza una lucha impresionante por el primer lugar con su compañero de marca en el Circuit de Catalunya y termina primero al ganar la posición en la última curva de la última vuelta en lo que fue la carrera con más emociones de la temporada.
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. Con una segunda posición en Laguna Seca, un triunfo en Alemania y una quinta posición después de una caída en Gran Bretaña, Rossi es líder a 25 puntos de su compañero y sigue siendo el favorito para ganar el campeonato.
En Brno, pierde la primera posición con su compañero faltando 6 vueltas para el final de la carrera pero mantiene su ritmo y presiona a Lorenzo quien comete un error y cae, dejando a Rossi como favorito con 50 puntos de diferencia a falta de 6 carreras, pero Rossi también cae en Indianápolis y revive la disputa por el título.
A pesar de no ganar 4 carreras desde el gran premio de la República Checa, Valentino sigue siendo líder del campeonato con 38 puntos de diferencia a su favor y con sólo dos carreras para terminar el campeonato el campeonato está casi liquidado a su favor. Finalmente, con seis victorias, Rossi se proclama campeón en el Gran Premio de Malasia y lo celebra utilizando el refrán italiano "Gallina vieja hace buen caldo" en referencia a los que le consideraban demasiado mayor para hacer frente a los pilotos más jóvenes con los que compite y cierra la temporada de su noveno título mundial con un segundo lugar en Valencia.
● 2010: año para olvidar.
En 2010, y de nuevo subido a una Yamaha, Valentino intentaría conseguir su 10º título. El año empezó bien para él, ganando la primera carrera en Qatar. En las dos siguientes, Valentino fue superado por su compañero (y vencedor en las 2 carreras) Jorge Lorenzo, quedando 3º en Jerez y 2º en LeMans. Tras tan buen inicio de temporada, con 3 podios seguidos, se llegó al GP de Italia, donde, en los entrenamientos del sábado, sufriría una caída que le provocaría una fractura de la tibia y el peroné derechos, perdiéndose así varias carreras y siendo dado de baja entre un mes y 2 meses y medio. Fue enviado en helicóptero al Hospital de Florencia, donde sería operado esa misma tarde.
Para sorpresa de todos, "The doctor" volvía a la competición sólo tres grandes premios después de su dura caída. Valentino tomaba de nuevo los mandos de su Yamaha en el GP de Sachsenring, logrando un meritorio cuarto puesto estando aún convaleciente, ya que incluso para andar por el box se ayudaba (a veces) de una muleta. Tras la gran actuación realizada por el astro italiano en el trazado germano, el 25 de Julio se disputa el Gran Premio de los Estados Unidos, donde consigue la tercera posición, protagonizando una gran lucha con Andrea Dovizioso, que le permite reencontrarse con el podio después de su gravísima lesión.
El 15 de agosto, tras el Gran Premio de la República Checa en Brno, se confirma su fichaje por Ducati, a pesar de conseguir un resultado un tanto discreto en la carrera, un 5 puesto, muy por debajo de sus expectativas en un trazado talismán para él como es el autódromo de Brno, donde ostenta una asombrosa estadística de victorias y triunfos. Luego de este pequeño bache, encadena dos buenos resultados, un 4 en Indianápolis y un 3 en San Marino, una de sus pistas preferidas, mostrando así una clara progresión, que queda de repente truncada por el 7 puesto en el GP d Aragón, donde hace una actuación bastante mediocre, seguramente como consecuencia de la poca competitividad de la Yamaha. Luego de este claro retroceso la estrella de Tavullia nos sorprende nuevamente reinventándose y protagonizando en el GP de Japón un tremenda lucha con el que sería el nuevo campeón del mundo, su propio compañero de equipo, Jorge Lorenzo, al que batió de una manera épica en la última curva, mostrando un duelo histórico. En el siguiente GP de Malasia, Rossi nos ofrecería una impecable carrera en donde conseguiría una firme victoria sobre todos los otros competidores, otorgándose la segunda victoria de la temporada.
Catorce carreras después del último primer puesto en el GP de Qatar, Valentino conseguiría volver a quedar primero en el GP de Malasia.
