Pada 2003 ia memberikan gelar terakhir ke Honda sebelum beralih ke Yamaha pada 2004. Ia lanjut merengkuh dua gelar juara dunia lagi sampai akhirnya digulingkan oleh Nicky Hayden pada 2006. Adapun pada 2007, pembalap Italia itu hanya menempati peringkat ketiga, sedangkan gelar juara dunia menjadi milik Casey Stoner.
Motor bernomor 46 miliknya kembali ke podium tertinggi alias juara dunia pada 2008 dan 2009, sebelum dia kalah dari rekan setimnya di Yamaha, Jorge Lorenzo pada 2010. Hubungannya dengan Lorenzo penuh kontroversi.
Rossi kemudian hengkang untuk bergabung ke Ducati pada 2011, tapi setelah gagal total selama dua musim, pembalap asal Tavullia itu kembali ke Yamaha pada 2013.
Valentino Rossi hanya menempati posisi runner up pada MotoGP 2014, kemudian hampir merebut gelar ke-10 pada 2015, tetapi digagalkan oleh Lorenzo.
Pada musim 2016, ia banyak menyabet pole position, podium, dan kemenangan, tetapi pembalap Italia itu sekali lagi finis kedua.
Pada 2017 ia juara di MotoGP Belanda di Assen, puncak dari musim yang sulit karena The Doctor mengalami patah kaki sebelum GP San Marino. Rossi menunjukkan semangat juangnya yang luar biasa dan kembali ke trek hanya tiga pekan kemudian di Aragon, sebelum naik podium lagi setelah pertarungan luar biasa dengan Marc Marquez (Tim Repsol Honda) di Phillip Island.
