En 2008, un joven Dovizioso aterrizaba en MotoGP™ con un título mundial de 125cc bajo el brazo e impresionaba a todo el paddock al terminar 5º en la temporada de su debut. Su primer triunfo llegaba en Donington al año siguiente al manillar de una Honda del equipo Repsol, en el que permanecería hasta 2011. En 2012 dio el salto a la Yamaha del equipo Tech3, con Cal Crutchlow como compañero y donde cosechó 6 meritorios podios que le valieron su fichaje por el equipo oficial Ducati, donde desde 2013 se convirtió en un piloto clave para el desarrollo de la Desmosedici GP. El italiano lograba la segunda victoria de su palmarés en 2016 al imponerse bajo la lluvia de Sepang. En 2017 continuó como piloto de la fábrica de Borgo Panigale, donde contó con una moto más competitiva que nunca y lo aprovechó: fue candidato al título hasta la última carrera, con 6 victorias en la temporada, aunque sucumbió ante Márquez en Valencia. En 2018 parecía que sería de nuevo uno de los rivales a batir, pero, a pesar de su victoria en Qatar, un único podio en las siguientes 8 carreras le dejaron fuera de la lucha. Su final de temporada fue excelente, sumando 3 victorias y 4 podios en las 9 carreras de la segunda mitad del curso, lo que le valió el subcampeonato de la categoría reina por segundo año consecutivo. El inicio en 2019 sería similar, con un nuevo triunfo en Qatar, pero el gran ritmo de Márquez resultaría letal, pese a que acumularía otros 9 podios, incluida una nueva victoria en el Red Bull Ring, que le valdría para sumar su tercer subcampeonato seguido. En 2020 se encontró ante una gran oportunidad, pero solo pudo ganar en Austria justo tras anunciar su adiós a Ducati. Finalizaría 4º en la general antes de comunicar su intención de tomarse un año sabático. Su 'relax' duró poco, ya que antes del inicio de la campaña 2021, Aprilia anunció que 'Dovi' probaría su nueva RS-GP en Jerez en abril antes de repetir más tarde y anunciarse que formaría parte de un programa de pruebas de la fábrica de Noale. Tras el parón estival, con el anuncio de la retirada de Valentino Rossi y el acelerado adiós de Maverick Viñales a Yamaha, le llegaría su oportunidad con el Petronas Yamaha SRT a partir del GP Octo de San Marino y de la Riviera de Rimini. Con ello, Dovizioso también firmó un contrato para pilotar una YZR-M1 de fábrica con el WithU Yamaha RNF MotoGP Team para 2022. Desafortunadamente, no pudo recuperar su nivel de años anteriores. Con 24 victorias en el Campeonato del Mundo, 103 podios y 20 'poles' en su palmarés, 'Dovi' decidió poner fin a su trayectoria mundialista en 2022, retirándose en su Gran Premio de casa, en Misano, arropado por los suyos.