Arriva in classe regina nel 2008 dopo aver vinto il titolo mondiale in 125cc; impressiona tutto il paddock salendo sul podio a Sepang e terminando la stagione col quinto posto. L’anno successivo è pilota ufficiale Repsol Honda, dove resta fino al 2011. La prima vittoria in MotoGP™ la conquista a Donington nello stesso anno. Nel 2012 approda in Yamaha nelle fila della scuderia Tech3 al fianco di Cal Crutchlow. Dal 2013 Dovizioso veste i colori della casa di Borgo Panigale, lavora allo sviluppo della moto e diventa progressivamente il pilastro del costruttore emiliano. La seconda vittoria nella massima categoria di Dovi arriva nel 2016 in Malesia, sul bagnato. Il 2017 gli regala sei vittorie diventando uno dei principali contendenti al titolo. Termina il campionato col secondo posto. Nel 2018 per il secondo anno consecutivo chiude alle spalle del campione del mondo, ripetendosi nel 2019. Nel 2020, nonostante la vittoria al Red Bull Ring, annuncia la sua decisione di prendersi un anno sabbatico. La pausa è breve visto che ad aprile 2021 è impegnato a Jerez per provare la nuova Aprilia RS-GP. La casa di Noale ben presto annuncia che quello sarebbe stato parte di un programma di test più esteso. Dopo la pausa estiva, con l'annuncio del ritiro di Valentino Rossi e il divorzio di Maverick Viñales dalla Yamaha, il forlivese ha l'occasione di tornare - questa volta col Petronas Yamaha SRT in occasione del GP Octo di San Marino e della Riviera di Rimini - per il resto della stagione. Nel 2022 difende i colori del nuovo WithU Yamaha RNF MotoGP Team. Dopo 24 vittorie, 103 podi e 20 pole position, Dovi decide di appendere casco e tuta al chiodo sulla pista di Misano, poco lontano da casa sua, davanti ai suoi tifosi.