Έχοντας ξεκινήσει την αγωνιστική του καριέρα στα καρτ, ο ‘The Doctor’ δεν άργησε να ακολουθήσει τα χνάρια του πατέρα του Graziano στους αγώνες μοτοσυκλετών, κερδίζοντας το περιφερειακό πρωτάθλημα minimoto του 1992 στην ηλικία των 13 ετών, πριν πραγματοποιήσει το ταξίδι του μέχρι την κορυφή των αγώνων μοτοσυκλετών.
Ο Rossi θα κέρδιζε τα πρωταθλήματα Ιταλίας του 1995 και 1996, ενώ επίσης εντυπωσίασε κατά την πρώτη του σεζόν στο Ευρωπαϊκό Πρωτάθλημα των 125 κ.εκ., τερματίζοντας τρίτος στη βαθμολογία αναβατών, προτού μεταπηδήσει στους παγκόσμιους αγώνες τη σεζόν του 1996.
Η πρώτη του νίκη στο Παγκόσμιο Πρωτάθλημα στην κατηγορία των 125 κ.εκ. ήρθε εκείνη τη χρονιά, στη Δημοκρατία της Τσεχίας και κατά τη δεύτερη σεζόν του, ο Rossi ήταν απλά ασταμάτητος, κερδίζοντας 11 αγώνες που οδήγησαν στην κατακτήση του πρώτου του τίτλου στο Παγκόσμιο Πρωτάθλημα.
Μεταπηδώντας στο Παγκόσμιο Πρωτάθλημα των 250 κ.εκ. το 1998, ο Rossi έχασε με ελάχιστη διαφορά τον τίτλο, απέναντι σε πολλούς καθιερωμένους αναβάτες, αλλά επέστρεψε τον επόμενο χρόνο με μια ακόμα επιβλητική παρουσία και κέρδισε τον δεύτερο Παγκόσμιο τίτλο του.
Αυτό αποτέλεσε το εφαλτήριο για να συμμετάσχει στο Παγκόσμιο Πρωτάθλημα των 500 κ.εκ. με την αλλαγή της χιλιετίας. Δεν χρειάστηκε να περάσει πολύς χρόνος προκειμένου ο Rossi να γίνει το επίκεντρο στους αγώνες μοτοσυκλέτας. Ο Ιταλός εκείνη τη χρονιά κατέκτησε την πρώτη του νίκη σε κορυφαίο επίπεδο στο Donington Park και τερμάτισε δεύτερος στην κατάταξη απέναντι σε πρώην πρωταθλητές αναβάτες και θρύλους του αθλήματος.
Το 2001 θα σηματοδοτούσε την έναρξη της "εποχής Rossi" και εκείνη τη σεζόν η VR46 θα κέρδιζε 11 από τους 16 αγώνες, στέφοντάς τον Παγκόσμιο Πρωταθλητή στα 500 κ.εκ. Το 2002, η κορυφαία κατηγορία μετονομάστηκε σε MotoGP, αλλά παρά την αλλαγή του ονόματος και την μετάβαση των κατηγοριών από δίχρονες μοτοσυκλέτες στα 500 κ.εκ. σε τετράχρονες στα 990 κ.εκ., τίποτα δεν άλλαξε για την κορυφή. Ο Rossi κέρδισε τον τίτλο εκείνη τη χρονιά και ξανά το 2003, προτού ξεκινήσει τη μακρόχρονη συνεργασία του με τη Yamaha.
Ήταν ένας νικητήριος συνδυασμός όπως φάνηκε από την αρχή, καθώς ο Rossi κατέκτησε εμφατικά άλλον έναν τίτλο το 2004 και επέστρεψε ακόμα πιο εντυπωσιακά για τη σεζόν του 2005, κάνοντας δικό του το πέμπτο συνεχόμενο πρωτάθλημα με διαφορά 147 βαθμών από τον δεύτερο.
Μην καταφέρνοντας να κερδίσει τον τίτλο το 2006 και 2007, ο Rossi επέστρεψε στην κορυφή το 2008 και έσπασε το ρεκόρ του συλλέγοντας τους περισσότερους βαθμούς σε μια σεζόν. Την επόμενη χρονιά, ο Ιταλός βρέθηκε αντιμέτωπος με τον συναθλητή του Jorge Lorenzo της Yamaha, στην κούρσα για τον τίτλο. Ο Rossi ήταν καλύτερος σε ολόκληρη τη σεζόν και κατέκτησε το έβδομο πρωτάθλημα στην κορυφαία κατηγορία.
Από τότε, ο Rossi συνέχισε να πρωταγωνιστεί, κερδίζοντας συνολικά 89 αγώνες MotoGP και ανεβαίνοντας στο βάθρο 198 φορές, αριθμός που αποτελεί ρεκόρ.
