Zaczynał od gokartów, ale dość szybko poszedł w ślady swojego ojca Graziano, przerzucił się na motocykle i już w wieku 13 lat wygrał regionalne mistrzostwa Mnimoto w 1992 roku. Tak zaczęła się droga na szczyt wyścigów motocyklowych.

Rossi wygrał mistrzostwa Włoch w 1995 i 1996 roku, a także wywarł duże wrażenie na obserwatorach podczas startów w swoim debiutanckim sezonie European Championship w klasie 125 cm3, zajmując trzecie miejsce w klasyfikacji generalnej zawodników, zanim w 1996 roku wypłynął na arenę światową.

Swoje pierwsze zwycięstwo w World Championship w klasie 125 cm3 odniósł w tym samym roku w Czechach, a w drugim sezonie Rossi był po prostu nie do pokonania, wygrywając 11 wyścigów i zdobywając swój pierwszy tytuł mistrza świata.

Rossi, który w 1998 roku przeszedł do klasy 250 cm3, nie zdołał od razu zdobyć tytułu w walce z licznymi doświadczonymi zawodnikami, ale już rok później powrócił, by zdominować stawkę i zdobyć drugi tytuł mistrza świata.To otworzyło mu drzwi do startów w mistrzostwach świata w klasie 500 cm3 na przełomie wieków i wkrótce potem Rossi był już gwiazdą wyścigów motocyklowych. W tym samym roku Włoch odniósł pierwsze zwycięstwo w najwyższej klasie na torze Donington Park i zajął drugie miejsce w klasyfikacji generalnej, wyprzedzając licznych byłych mistrzów i legendarnych zawodników.

Rok 2001 był początkiem „ery Rossi’ego” i w tym sezonie VR46 wygrał 11 z 16 wyścigów, zdobywając tytuł mistrza świata w klasie 500 cm3. W 2002 roku najwyższa klasa została przemianowana na MotoGP, ale pomimo zmiany nazwy i przejścia z dwusuwowych 500cc na czterosuwowe 990cc, na szczycie nic się nie zmieniło. Rossi ponownie zdobył tytuł w tym roku i jeszcze raz w 2003, po czym rozpoczął wieloletnią współpracę z Yamahą.Od samego początku był to przepis na sukces. W 2004 roku Rossi zdobył kolejny tytuł i całkowicie zdominował sezon 2005, wygrywając piąte z rzędu mistrzostwo z przewagą 147 punktów nad kolejnym rywalem.

Lata 2006 i 2007 nie przyniosły Rossi’emu tytułów, ale w 2008 roku powrócił na szczyt, bijąc swój rekord punktów zdobytych w sezonie. W następnym roku Włoch przez cały sezon toczył walkę z partnerem z zespołu Yamaha - Jorge Lorenzo, by w końcu zdobyć siódme mistrzostwo w najwyższej klasie.Od tamtej pory Rossi nadal jest w ścisłej czołówce, mając na swoim koncie 89 wygranych wyścigów MotoGP i stając na podium rekordowe 198 razy.

Po przejściu do zespołu Yamahy w sezonie 2004, Rossi chciał wygrać już w pierwszym wyścigu sezonu w RPA na torze Phakisa Freeway, w pobliżu Welkom. The Doctor startował wtedy z pole position i miał szansę stać się pierwszym zawodnikiem, który wygrał Grand Prix z dwoma różnymi producentami.

Gdy na torze zgasły światła, Rossi błyskawicznie uciekł rywalom, wygrywając sprint do pierwszego zakrętu w lewo. Wyścig szybko przerodził się w rywalizację pomiędzy trójką kierowców, gdy Max Biaggi i Sete Gibernau starali się prześcignąć Rossiego. Na kolejnych szybkich okrążeniach Biaggi i Rossi zmieniali się na prowadzeniu, a Gibernau został nieco w tyle. Przez większość środkowej części wyścigu Rossi utrzymywał się z przodu na swoim motocyklu Yamaha YZR-M1 z numerem 46, starając się jak najlepiej poradzić sobie w morderczym upale.Na pięć okrążeń przed końcem, kiedy wyprzedził go Biaggi, wyglądało na to, że to pierwsze zwycięstwo w debiutanckim występie dla Yamahy przejdzie Rossi’emu koło nosa, ale Włoch nie dawał za wygraną i dopadł swojego rodaka kilka okrążeń później na zakręcie nr 10.

Umiejętnie broniąc się przed atakami rywala na ostatnich kilku okrążeniach, Rossi odniósł sensacyjne zwycięstwo w debiucie w barwach Yamahy. Po zakończeniu wyścigu Włoch padł przed swoim M1, szczęśliwy i wykończony.