Tras seis temporadas en las categorías más pequeñas, que incluyen el título mundial de 125cc de 2004, Dovizioso debutó en MotoGP en 2008, con el equipo JiR Team Scot. Los progresos del italiano en la categoría reina han sido graduales pero elocuentes: Tuvo que esperar a la penúltima carrera del año para apuntarse su primer podio y cerrar el curso de su debut en la máxima cilindrada con un notable 5º puesto final. En 2009, su primera campaña como piloto oficial de HRC, llegó la primera victoria en MotoGP, en la carrera de Donington Park. `Dovi´ continuó progresando en la élite del motociclismo en 2010, en una campaña que le vio luchar regularmente con los pilotos más destacados de la categoría y sumar hasta siete podios. En 2011, el piloto de Forlí, formó parte del poderoso tridente compuesto además por Dani Pedrosa y Casey Stoner.

No desentonó en esa compañía y terminó el Campeonato en la tercera posición. El italiano cerró su etapa con Honda al término de ese curso y en 2012 se unió al equipo Monster Yamaha Tech 3 para disputar su quinta temporada en MotoGP sobre una YZR-M1. Fue una campaña exitosa en la que añadió seis nuevos podios a su palmarés. En 2013 asumió un importante reto al firmar con el Ducati Team con el objetivo de llevar la Desmosedici de nuevo a la senda del triunfo. La primera campaña resultó complicada tanto para él como para su compañero de equipo Nicky Hayden. El año pasado tuvo actuaciones destacadas y un rendimiento más constante que el de su compañero Cal Crutchlow . En 2015 forma equipo con Andrea Iannone, de nuevo bajo la dirección del ex gurú de Aprilia Gigi Dall'Igna y vuelve a apuntar a posiciones de podio una vez más.