Hiroshi Aoyama inizia la sua carriera a tempo pieno nel 2004 dopo una serie di partecipazioni come wild card nella cilindrata 250cc tra il 2000 e il 2003. Con Honda e KTM tra il 2004 e il 2008 ha vinto otto volte e non è mai arrivato più giù del settimo posto conquistando nel 2009 il titolo nella quarto di litro prima che questa fosse sostituita dalla Moto2™. Nel 2010 è l’unico nella neonata calasse 600cc di nazionalità nipponica anche se la sua stagione è stata interrotta da un infortunio a Silverstone che lo ha messo fuori dai giochi per sei gare. Entra nel team San Carlo Honda Gresini e nel 2011 è in MotoGP™, il suo miglior piazzamento stagionale è il quarto posto al GP di Spagna. L’anno successivo è nel WorldSBK con la scuderia Ten Kate Honda ma non è un’esperienza brillante e torna nel MotoGP™ con il team Avintia. Nel 2013 è vittima di un altro infortunio mentre la stagione dopo è con il team Power Electronics Aspar pilotando la nuova Honda RCV1000R. Nel 2015 entra nel team ufficiale Honda come collaudatore ufficiale e sostituisce Dani Pedrosa quando questi è fuori a causa di un’operazione al braccio. Il pilota nipponico continua poi il suo ruolo di tester con il team HRC e al fianco di Alberto Puig lavora nella Asia Talent Cup. Con l’infortunio del numero 26 nelle prime libere a Motegi, torna sulla RC213V nel 2016.