Hiroshi Aoyama commence sa carrière en Grand Prix en 2004 après avoir profité de plusieurs wildcards en 250cc en 2000 et 2003. Il court avec Honda puis KTM de 2004 à 2008 et finit par remporter le Championnat du Monde 250cc en 2009, prenant donc le dernier titre 250cc avant l'introduction du Moto2™. En 2010, Aoyama est le seul pilote japonais en MotoGP™ et sa saison est interrompue par une grave blessure au dos, qui l'écarte des circuits pour une durée de six courses. Le Japonais rejoint ensuite San Carlo Honda Gresini en 2011 et signe une quatrième place à Jerez. Après une saison difficile avec Ten Kate Honda dans le Championnat du Monde Superbike, Aoyama revient en MotoGP™ pour 2013, sur CRT avec Avintia Blusens, mais se blesse à la main à Barcelone et peine à retrouver son rythme. Il passe ensuite chez Aspar aux côtés de Nicky Hayden pour courir en catégorie Open sur Honda RCV1000R. En 2015, il quitte la compétition et devient pilote essayeur pour le HRC. Il est cependant appelé à remplacer Dani Pedrosa en début de saison lorsque l’Espagnol est opéré de l’avant-bras droit. En dehors de son rôle de pilote d’essais, il travaille aussi avec Alberto Puig dans l’Asia Talent Cup, et remplace de nouveau Pedrosa au GP du Japon de 2016, au début duquel l’Espagnol se fracture la clavicule droite.