Η Yamaha έλαβε μέρος στο αμερικανικό GP στη Daytona το 1961, έναν αγώνα μεγάλης τοπικής κλίμακας ως προοίμιο της σεζόν του Παγκοσμίου Πρωταθλήματος Grand Prix, για να πάρει την 5η και 8η θέση στην κατηγορία των 250 κ.εκ.

Η Yamaha συμμετέχει για πρώτη της φορά στο Παγκόσμιο Πρωτάθλημα το 1961 με μία  250 κ.εκ. RD48 και μία 125 κ.εκ. RA41 

Ο Fumio Ito πάνω στην RD56, Isle of Man TT, 1963

Μετά τον αγώνα της Daytona, η Yamaha συμμετείχε σε αγώνα TT στη Νήσο του Μαν, το πιο διάσημο γεγονός της εποχής. Η νίκη σε αυτόν τον αγώνα είχε μεγάλο αντίκτυπο στην Ευρωπαϊκή αγορά. Ο Fumio Ito τερμάτισε στην 6η θέση της κατηγορίας των 250 κ.εκ.

Μετά από την εμπειρία που αποκτήθηκε και την αντιμετώπιση κάποιων δυσκολιών, η Yamaha έλαβε ξανά μέρος στο Παγκόσμιο Πρωτάθλημα Grand Prix το 1963 με την RD56, με έναν αερόψυκτο, εν σειρά, δικύλινδρο κινητήρα 250 κ.εκ., τοποθετημένο σε νέο featherbed πλαίσιο. Ο Fumio Ito κέρδισε τον αγώνα Daytona GP και βρέθηκε στη 2η θέση στον Aγώνα χρονομέτρησης στη Νήσο του Μαν. Και τέλος, η Yamaha κέρδισε το πρώτο Παγκόσμιο Πρωτάθλημα Grand Prix στο Βελγικό GP.

Πρωτοπορία για τη Yamaha: ο Fumio Ito κέρδισε εκπροσοπώντας τη Yamaha, για πρώτη φορά, στο Spa-Francorchamps το 1963

Ο Phil Read πετυχαίνει την πρώτη του νίκη στο Γαλλικό Πρωτάθλημα το 1964

Ο Phil Read και ο Mike Duff υπέγραψαν συμβάσεις ώστε να συνθέσουν μια ολοκαίνουργια ομάδα αναβατών με τον Fumio Ito για το Παγκόσμιο Πρωτάθλημα Grand Prix του 1964 στην κατηγορία 250 κ.εκ. Χάρη στις επιδόσεις τους, η Yamaha κέρδισε τον πρώτο της τίτλο κατασκευαστή και ο Phil Read τίτλο αναβάτη. 

Το 1965 ο Phil Read και ο Mike Duff έδωσαν ξανά στη Yamaha τους τίτλους αναβάτη και κατασκευαστή. Εκείνο το έτος , έκανε το ντεμπούτο του υγρόψυκτου, 70° V4-powered RD05 με κινητήρα 250 κ.εκ. στο Nations GP στη Monza, ορίζοντας την πλατφόρμα της επόμενης χρονιάς. Ωστόσο, ο ανταγωνισμός, φυσικά, εξελισσόταν και, η Yamaha αναγκάστηκε να αποσυρθεί από το Παγκόσμιο Πρωτάθλημα Grand Prix, λόγω αλλαγών στους κανονισμούς.

Στην κατηγορία 125 κ.εκ. του Παγκοσμίου Πρωταθλήματος Grand Prix του 1967, υπήρξε μια σημαντική ανακάλυψη για τη Yamaha. Απέκτησε ένα GP με την RA97 (περιστροφική βαλβίδα δίσκων, εν σειρά, υγρόψυκτος κινητήρας) στον Αγώνα χρονομέτρησης στη Νήσο του Μαν το 1965. Και το 1966, η έφτασε στην κορύφωση όταν ο αναβάτης της Yamaha, Bill Ivy πήρε τέσσερις νίκες. Το 1967, η Yamaha κέρδισε το πρώτο Παγκόσμιο Πρωτάθλημα Grand Prix αναβάτη στην κατηγορία 125 κ.εκ. με τον Bill Ivy στο τιμόνι της νέας υδρόψυκτης V4 RA31.

Ο Bill Ivy μετά από μία αξέχαστη νίκη το 1966 στο Isle of Man TT

Η αγωνιστική φιλοσοφία της Yamaha: Η δύναμη δεν είναι τίποτα εφόσον ο αναβάτης δεν μπορεί να τη διαχειριστεί. Ο Bill Ivy κέρδισε το τίτλο του καλύτερου Αναβάτη στο Πρωτάθλημα το 1967.

Ο Phil Read με το νούμερο 10, κερδίζοντας στο Isle of Mann TT 1967

Η TD-1 στον εναρκτήριο αγώνα του Πρωταθλήματος All Japan 

Εν τω μεταξύ, στην Ιαπωνία, η Yamaha ανέπτυξε το νόμιμο για χρήση στον δρόμο σπορ μοντέλο YDS-2 και την αγωνιστική μοτοσυκλέτα TD-1 για όλους τους λάτρεις που θα ήθελαν να συμμετάσχουν σε ερασιτεχνικούς αγώνες. Η TD-1 έγινε αμέσως δημοφιλής και ανταγωνιστική και στην πίστα. Και χάρη στους κανονισμούς αγώνων που ορίστηκαν από την Ομοσπονδία μοτοσυκλετών της Ιαπωνίας, σύμφωνα με την οποία επιβλήθηκε να αγωνίζονται μόνο νόμιμα για χρήση στο δρόμο μοντέλα, η Yamaha αποφάσισε να κυκλοφορήσει την TD-1 ως ένα πλήρως νόμιμο μοντέλο για χρήση στον δρόμο και δημιούργησε το μοντέλο αγωνιστικών προδιαγραφών TD-1A - που πωλούνταν με ήδη τοποθετημένο το κιτ αγώνων - για να τρέξει σε διάφορους αγώνες στην Ιαπωνία και στο εξωτερικό. Όταν το ιαπωνικό GP προστέθηκε στο Παγκόσμιο Πρωτάθλημα Grand Prix Μοτοσυκλετών το 1963, έγινε εξαιρετικά δημοφιλής εν μία νυκτί. Η κυριαρχία της Yamaha στην εκδήλωση του 1966 πραγματικά ενίσχυσε τη φήμη της ως αγωνιστική εταιρεία και κατασκευαστή δίχρονων κινητήρων. Η Yamaha δεν κέρδισε μόνο τους έξι αγώνες στις κατηγορίες 125 κ.εκ, 250 κ.εκ και 350 κ.εκ, τόσο του Παγκοσμίου Πρωταθλήματος Grand Prix όσο και του Πρωταθλήματος All Japan, αλλά όλα σχεδόν τα βάθρα γέμισαν από αναβάτες της Yamaha.

Στον χώρο του "motocross", τα πράγματα εξελίσσονται σταδιακά. Το 1963 η Yamaha έλαβε μέρος στο 8ο Πρωτάθλημα Motocross της Ιαπωνίας με τις YG-1, YA-6 και YDS-2 μηχανές παραγωγής που τροποποιήθηκαν για αγώνες εκτός δρόμου. Το 1965, η Yamaha άρχισε να αναπτύσσει τη δική της μοτοσυκλέτα αποκλειστικά για motocross, την YX26. Το 1967, το πρωτότυπο του YX26, έκανε το ντεμπούτο του στο 4ο GP Motocross της Ιαπωνίας. Το μοντέλο, με δίχρονο, 246,3 κ.εκ , 5 θυρών, μονοκύλινδρο εμβολοφόρο κινητήρα σε λεπτό πλαίσιο, κέρδισε τους μικρής και ανώτερης κατηγορίας αγώνες των 250 κ.εκ. και έλαβε εκκριτικές κριτικές από τον τύπο. Ένα από τα μοντέλα παραγωγής που προέρχονταν από την YX26 ήταν η DT-1 που είχε μεγάλη επιτυχία στην Ιαπωνία και στο εξωτερικό. Εκτός από την πρωτοποριακή κατηγορία σπορ μοτοσυκλετών trail, συνέβαλε σημαντικά στη διάδοση του ανταγωνισμού στο motocross. Με βάση την DT-1, η Yamaha ολοκλήρωσε την εργοστασιακή μηχανή YZ624 και ήταν τότε σε θέση να αγωνιστεί σε όλους τους αγώνες της σειράς του Πρωταθλήματος Motocross All Japan το 1969. Οι αναβάτες της Yamaha Tadao Suzuki και Hideaki Suzuki πήραν τον τίτλο στις κατηγορίες Senior και Junior αντίστοιχα στα 250 κ.εκ.

Ο αναβάτης της Yamaha, Hideaki Suzuki, πάνω στην DT-1, την πρώτη παγκοσμίως off-road μοτοσυκλέτα