Hiroshi Aoyamas Karriere im Grand Prix begann nach einigen Wildcard-Einsätzen zwischen 2000 und 2003 mit seiner ersten kompletten Saison 2004. Zwischen 2004 und 2009 fuhr er für Honda und KTM in der 250ccm-Klasse und holte dabei acht Siege. In der Gesamtwertung klassierte sich der Japaner nie schlechter als auf dem siebenten Rang. Im Jahre 2009 holte er den letzten 250ccm-Weltmeistertitel der Geschichte, ein Jahr später wurde diese Kategorie zur Moto2™. Im Jahre 2010 hielt Aoyama in der MotoGP™ als einziger die japanischen Fahnen hoch, doch seine Rookie-Saison endete nach einem schweren Sturz in Silverstone vorzeitig - er verpasste sechs Rennen. Sein bestes Resultat sollte der sieben Rang in Malaysia werden. 2011 wechselte Aoyama in San Carlo Honda Gresini Team, wo er mit einem vierten Rang im Spanien GP sein bestes Ergebnis feierte. Nach einem schweren Jahr in der eni FIM Superbike Weltmeisterschaft für Ten Kate Honda, kehrte Aoyama auf einer CRT-Maschine von Avintia Racing in die MotoGP™ zurück. In der Saison 2013 kam nach einem Sturz in Barcelona und dem Bruch der Hand erneut Verletzungspech hinzu. 2014 trat Aoyama für Power Electronis Aspar neben dem MotoGP™-Weltmeister von 2006, Nicky Hayden, auf einer Honda RCV1000R an. 2015 ließ Aoyama den Wettkampf hinter sich und wurde Testfahrer für HRC, bevor er in einigen der ersten Rennen als Ersatz für Dani Pedrosa gerufen wurde, der sich einer Operation unterzog. Der Japaner war weiterhin Testfahrer und arbeitete an der Seite von Alberto Puig im Asia Talent Cup. In diesem Jahr kehrt er erneut zurück, um Pedrosa zu ersetzen.