Den Spitznamen «The Doctor» trägt er vermutlich aus mehreren Gründen: In Italien bekommt man den Spitznamen «Il Dottore», wenn man etwas besonders gut kann. Des Weiteren begründet sich der Zusatz Dottore in der Vorliebe der Italiener, besonders verehrten Persönlichkeiten einen Titel als Respektsbekundung voranzustellen, auch wenn sie diesen gar nicht besitzen. Rossi geht mittlerweile als echter Doktor an den Start. Die Universität seiner Heimatstadt Urbino hat ihm den Ehren-Doktortitel für Kommunikation verliehen.
Valentino Rossis Mutter Stefania wünschte sich, dass er Fussballspieler würde, doch sein Vater brachte ihn zum Kartsport.
1990 gewann er die regionale Go-Kart-Meisterschaft.
1991 stieg er zu den Minibikes um und gewann auch gleich sein erstes Rennen.
Ein Jahr später wurde er regionaler Minimoto-Champion.
1993 fuhr Rossi Strassenrennmaschinen und wurde auf einer 125-ccm-Cagiva Dritter in der Italienischen Sport-Produktionsmeisterschaft.
1996 fuhr Rossi für Aprilia in der 125er-Weltmeisterschaft und holte in Brünn seine erste Pole-Position und seinen ersten Sieg.
Ein Jahr später gewann er den WM-Titel in der 125er-Klasse.
1998 wechselte Rossi in die 250er-Weltmeisterschaft. 1999 sicherte er sich auf einer Aprilia den 250er-WM-Titel.
2000 setzte er seine Karriere bei Honda in der 500er-Weltmeisterschaft fort und wurde auf Anhieb Vizeweltmeister hinter Kenny Roberts junior. 2001 gewann Rossi die letzte Weltmeisterschaft der 500er-Zweitakter wurde damit nach Phil Read der zweite Fahrer in der Geschichte des Motorradrennsports, der in drei Klassen einen Titel gewonnen hat.
2002 und 2003 wurde Rossi erneut Weltmeister, diesmal in der neu geschaffenen MotoGP-Klasse auf der Viertakt-Honda RC211V.
Seit 2004 fährt er bei Yamaha. 2004 und 2005 konnte er seinen WM-Titel verteidigen.
Die Saison 2006 verlief durchwachsen. Stürze und Ausfälle verhinderten den sechsten WM-Titel in Folge.
2007 musste sich Rossi einem konstant stark fahrenden Casey Stoner auf einer Ducati, die dem Feld in der Höchstgeschwindigkeit weit überlegen war, beugen. Im letzten Saisonrennen verlor Rossi durch einen Ausfall auch den Vizeweltmeistertitel um einen Punkt an Dani Pedrosa.
2008 konnte Rossi beim Grand Prix von Japan mit seinem achten Saisonsieg schon drei Rennen vor dem Saisonende den achten Titel seiner Karriere und seinen sechsten in der Königsklasse feiern.
Rossi hat in seiner Karriere bis heute insgesamt 101 Grand-Prix-Siege (Stand nach dem Grossen Preis von England 2009) eingefahren. Damit belegt er in der Bestenliste den zweiten Platz hinter Giacomo Agostini.