Hiroshi Aoyama entró en el panorama mundialista en 2004, pero antes de participar como piloto regular hizo grandes apariciones como wild card en la categoría de 250cc desde el año 2000 hasta 2003. En su campaña con Honda y KTM entre 2004-08, logró ocho victorias y nunca terminó más allá de la séptima posición, ganando el Campeonato del Mundo de la categoría intermedia en 2009 a bordo de una 250cc, convirtiéndose en el último ganador de esta categoría antes de dar el paso a Moto2™. En 2010, Aoyama se convirtió en el único piloto Japonés de la parrilla de MotoGP™ y durante esa temporada sufrió un accidente en Silverstone que le obligó a perderse hasta seis carreras, terminando el año logrando una séptima posición como la mejor, en Malasia. En 2011, el piloto japonés se unió a las filas del equipo San Carlo Honda Gresini y su mejor resultado fue una cuarta posición en el Gran Premio de España. Después de un año complicado en el campeonato de SBK con el equipo Ten Kate Honda, Aoyama volvió al Campeonato del Mundo de MotoGP™ a bordo de la CRT de Avintia Racing y ese mismo año volvía a tener problemas físicos, esta vez en el Gran Premio de Cataluña tras sufrir una lesión en la mano. En 2014 se movió a Power Electronics Aspar, junto al campeón del mundo de 2006 Nicky Hayden, donde montó la Honda RCV1000R. En 2015 abandonó la competición, sin embargo, se convirtió en probador de HRC antes de ser llamado para substituir en 2015 al que fue compañero suyo, Dani Pedrosa, que se sometió a una cirugía. El piloto japonés continúa con su rol de probador, además de trabajar junto Alberto Puig en la Asia Talent Cup y ahora vuelve a sustituir a Pedrosa este año.