Bergabung bersama Honda dia dua kali menjadi runner up dan sekali duduk di posisi tiga klasemen akhir. Musim 2008 ia beralih ke kelas MotoGP bersama tim JiR Honda Scot. Dan musim 2009 ia hengkang ke tim pabrikan Honda, Repsol Honda. Tim Repsol Honda tidak memperpanjang kontraknya untuk tahun 2012.

Di MotoGP musim 2012 Dovisiozo memperkuat tim Monster Yamaha Tech 3 (foto: Yamaha)
Di MotoGP musim 2012 Dovisiozo memperkuat tim Monster Yamaha Tech 3 (foto: Yamaha)

Mulai musim 2012 ia hengkang ke Monster Yamaha Tech 3 bersama Cal Crutchlow. Musim 2013, seiring hengkangnya Valentino Rossi dari Ducati dan kembali ke yamaha Factory Racing, Dovizioso bergabung dengan Ducati. Setelah Casey Stoner,  Dovizioso dikenal sebagai pembalap yang dapat menjinakkan liarnya motor Ducati. 

Dapat dikatakan, Dovizioso merupakan salah satu dari sekian banyak pembalap berprestasi yang mampu mengontrol besarnya tenaga motor Ducati Desmosedici. Bahkan kemampuannya bisa dibilang lebih baik dibandingkan pembalap yang digantikannya Valentino Rossi.

Momen paling ikonik Dovizioso terjadi pada MotoGP Austria yang berlangsung di Sirkuit Red Bull Ring, Spielberg, Austria 13 Agustus 2017, Dovisioso berhasil menyabet gelar juara. Ia sukses meraih kemenangan dramatis setelah berhasil menyalip Marc Marquez (Repsol Honda) di tikungan terakhir pada lap pamungkas balapan.

Usai MotoGP musim 2020, kontrak Dovizioso bersama Ducati menemui jalan buntu. Ia pun secara resmi mengumumkan bahwa dirinya telah menolak semua tawaran sebagai test rider dan memutuskan vakum dari MotoGP 2021. Hal ini ia sampaikan lewat media sosial, terutama Instagram, pada Selasa (10/11/2020).