Repsol Honda (2002-2003)
Setelah sukses memulai karirnya di tim satelit, Rossi lantas bergeser untuk membela tim pabrikan yaitu, Repsol Honda. Kala itu ia bertanding pada musim balap 2002 sampai dengan 2003.
Bersama Repsol Honda, VR46 dengan menggunakan Honda RC211V berhasil menjadi juara dunia berturut-turut selama dua kali, yakni, pada musim balap tahun 2002 dan 2003. Ini menjadi gelar juara dunia kedua dan ketiga bagi dirinya.
Yamaha Factory Racing (2004-2010)
Pada musim balap 2004, Rossi berpaling dari Repsol Honda dan bergabung dengan tim pabrikan Yamaha Factory Racing.
Tahun pertama bergabung dengan tim ini, Rossi langsung menyabet gelar juara dunia kembali pada tahun 2004. Ini menjadi gelar juara dunianya yang keempat saat itu.
Pada musim balap selanjutnya, tahun 2005 pebalap asal Italia ini kembali meraih gelar juara dunia dengan motor Gauloises Yamaha yang melengkapi gelar juara dunianya yang kelima.
Sangat disayangkan, pada musim balap selanjutnya di tahun 2006 VR46 hanya mampu menjadi Runner Up saat itu Rossi menggunakan livery motor Camel Yamaha.
Kegagalan selanjutnya hadir pada tahun 2007, menggunakan livery motor FIAT Yamaha, Rossi yang membela tim paabrikan Yamaha ini hanya mampu menduduki posisi ketiga kejuaraan balap kelas dunia ini.
Tak mau terpuruk dalam kekalahan, pada tahun 2008 Rossi kembali merebut mahkota juara dunianya. Dan melanjutkannya pada musim balap tahun 2009 dengan kembali menjadi juara dunia.
