Appassionato di moto fin da giovanissimo, Andrea Dovizioso esordisce nel mondiale a 15 anni, facendo una wildcard al Gran Premio d’Italia al Mugello. L’anno successivo, nel 2002, affronta la prima stagione completa in 125cc con lo Scot Racing. Nonostante un inizio promettente, deve aspettare due anni prima di vincere la sua prima gara. È proprio al primo appuntamento del 2004, in Sudafrica che il forlivese vince la prima gara in carriera e fu l’inizio di una stagione coronata di cinque vittorie e un totale di 11 podi, quanto basta per aggiudicarsi il titolo della categoria.
Nel 2005 passa alla 250cc e termina la stagione da rookie al terzo posto in campionato grazie a cinque podi. Nelle due stagioni successive consolida la propria competitività diventando campione del mondo in entrambe le campagne.
Nel 2008 abbandona il #34, numero del suo idolo e MotoGP™ Legend, Kevin Schwantz, per approdare alla classe regina col #4, avvenuta che intraprende con la Honda dello Scot Racing. Ottiene il primo podio in Malesia ma la sua costanza lo vede terminare il campionato al quinto posto e come miglior pilota indipendente.
Dovi passa al Repsol Honda, scuderia con la quale conquista il primo trionfo, un successo che arriva sotto la pioggia inglese. Resta con la formazione ufficiale della casa alata fino al 2011 prima di passare al Monster Yamaha Tech 3. Anche con la moto della casa di Iwata dimostra il proprio potenziale centrando sei podi e il quarto posto iridato. Poi riceve poi un’offerta da Ducati che scommette su di lui per riportare il titolo a Borgo Panigale.
I primi tre anni servono al pilota e al costruttore per costruire un progetto vincente dove, il primo ingrediente, è la pazienza. Dovi e gli ingegneri della casa bolognese sono instancabili e il risultato del loro lavoro con la vittoria del Gran Premio della Malesia del 2016, un primo posto ottenuto sul bagnato. Ducati e DesmoDovi hanno finalmente il passo per vincere e nel 2017 incasellano otto podi, tra cui sei vittorie che gli permetteranno di sognare la corona mondiale, premio che si contende fino all’ultima gara con Marc Marquez. Le possibilità di vincere il titolo vengono rinviate alla stagione successiva. Tanto nel 2018 come nel 2019, il pilota Ducati sfiora il titolo diventando per tre stagioni consecutive vicecampione del mondo.
Nel 2020 gli attriti con la casa emiliana giungono all’apice e, alla vigilia del primo Gran Premio disputato al Red Bull Ring, Dovi annuncia di non voler portare avanti nessuna trattativa col costruttore bolognese. Libero da ogni pressione, vince la gara il giorno successivo ma da quel momento in poi non torna più sul podio.
A due Gran Premi al termine della stagione annuncia di prendersi un anno sabbatico per il 2021 ma non esclude il ritorno in pista nel caso in cui riceverà un progetto vincente.