1994 में सैंड्रोनी द्वारा अप्रिलिया ने रॉसी का इस्तेमाल RS125R में सुधार लाने के लिए किया और बदले में 125cc रेसिंग की गति को किस तरह संभाला जाए यह सीखने की उन्हें छूट दी. शुरूआत में 1994 इतावली चैंपियनशिप में उन्होंने सैंड्रोनी चलाया और 1995 के यूरोपीय और इतावली चैंपियनशिप में इसे जारी रखा.

1996 में विश्व चैंपियनशिप सीजन में रॉसी को कुछ सफलता मिली, लेकिन सीजन के पांच रेस को पूरा करने में वे नाकामयाब रहे और उन्होंने कई बार टक्कर मारी. इसके बावजूद, अगस्त में उन्होंने चेक गणराज्य के ब्रनो में AGV अप्रिलिया RS125R पर अपना पहला वर्ल्ड चैंपियनशिप ग्रांड प्रिक्स जीता. सीजन के अंत में वे नौवे स्थान पर रहे और इसके बाद 1997 सीजन में 125cc विश्व चैंपियनशिप में अपना वर्चस्व बरकरार रखते हुए 15 रेसों में से 11 पर जीत हासिल की.

1998 तक अप्रिलिया RS250 अपने शीर्ष पर पहुंच गया और वैलिंटिनो रॉसी, लॉरिस कैपिरॉसी और टेट्सुया हराडा को लेकर उसकी एक टीम बन गयी। एक कार दुर्घटना में अपने दो मित्रों की मौत से उन्हें गहरा सदमा लगा. बाद में 1998 125cc सीजन के अंत में उन्होंने दूसरा स्थान प्राप्त किया, कैपिरॉसी से केवल तीन प्वाइंट पीछे रहे. बहरहाल, 1999 में, पांच में पहले स्थान और 9 जीत इकट्ठा कर उन्होंने खिताब जीता.

2000 में रॉसी को उनके 250cc विश्व चैंपियनशिप के लिए पुरस्कार के तौर पर होंडा चलाने, जिसे उन दिनों 500cc मोटरसाइकिल रेसिंग विश्व चैंपियनशिप का आखिरी वर्ग था, की अनुमति दी गयी। जेरेमी बर्गेज ने उन्हें NSR500 दिखाई थी और वे आश्वस्त थे कि रॉसी के साथ इसकी जोड़ी का परिणाम जीत के सिवाय और कुछ नहीं होगा 500cc के अवकाशप्राप्त विश्व चैंपियन माइकल डोहन, प्रमुख अभियंता के रूप में जिनके पास जेर्मी बर्गीज था, ने भी रॉसी के साथ उनके निजी परामर्शदाता के रूप में काम किया। यह पहला मौका था जब रॉसी एक दूसरे इतावली रेसर मैक्स बियागी, रेसिंग प्रेस जिससे अक्सर उनकी तुलना किया करती थी, के खिलाफ रेस करते. रॉसी के होंडा पर जीत से पहले यह नौवां रेस होता, लेकिन 125 और 250 के पिछले सीजन की ही तरह अमेरिकी केनी रॉबर्टस जूनियर से दूसरे स्थान को प्राप्त कर उन्होंने दूसरे सीजन का मजबूत आगाज किया।

500cc विश्व चैंपियनशिप के इस वर्ग के आखिरी साल में रॉसी ने 2001 में अपना पहला खिताब (कुल 11 रेस जीत कर) जीता. अगले साल 500cc में दो-स्ट्रोक की अनुमति थी, लेकिन 2002 ने 990cc चार-स्ट्रोक MotoGP वर्ग की शुरूआत देखा, जिसके बाद 500cc मशीने अनिवार्य रूप से अप्रचलित हो गयीं. उस साल सुजुका 8 आउर्ज एंडरेंस रेस में रॉसी अमेरिकी राइडर कॉलिन एडवर्ड के साथ होंडा VTR1000SPW में सवार हुए. सुपरबाइक रेसिंग में रॉसी की अनुभवहीनता के बावजूद यह जोड़ी रेस जीत गयी।

रेस वर्ष के आधार पर
कॅरियर आंकड़े
निजी जिंदगी
125cc, 250cc और 500cc विश्व चैंपियनशिप