125 cm

2001-ben Dovizioso megnyerte a 125 köbcentiméteresek Európa-bajnokságát, és ebben az évben a MotoGP-ben is elindulhatott, szabadkártyásként az olasz versenyen. Itt nem ért célba. Ekkor még Apriliával versenyzett, ám a következő szezonra már a Hondától kapott a teljes szezonra szerződést. Első szezonjában a 16. helyen végzett összesítésben, legjobb helyezése két kilencedik hely volt. 2003-ban már ötödik lett, ebben az évben négyszer már dobogóra is állhatott, 2004-ben pedig öt győzelmének és 6 további dobogós helyezésének köszönhetően nagy fölénnyel diadalmaskodott.

250 cm

A negyedliteresek közé 2005-ben került fel, ugyancsak a Team Scot versenyzőjeként. Első szezonjában rögtön a harmadik helyen végzett, amivel természetesen az év újonca díjat is kiérdemelte. 2006-ra is maradt az ekkor már átnevezett csapatnál (nevük Humangest Honda lett). A szezon során folyamatosan, egészen az utolsó futamig harcolt a világbajnoki címért Lorenzóval, kétszer nyerni is tudott, ám mivel a szezonzárón csak hetedik lett, meg kellett elégednie az összetett második helyével. 2007-ben ismét két győzelmet szerzett, ismét a szezon végéig harcban volt a vb-címért, ám ismét meg kellett elégednie a második hellyel, ezúttal is Lorenzo mögött.

MotoGP

2007-ben Dovizioso kijelentette, hogy a következő szezontól kezdve a MotoGP-ben szeretne versenyezni.[1] Ez a kívánsága a Repsol Honda jóvoltából teljesült is. A szezonnyitó katari nagydíjon nagyszerűen szerepelt, az utolsó körben például Valentino Rossit megelőzve a negyedik helyen végzett. Az idény során többnyire ő volt a legjobb Hondás versenyző, legtöbbször a negyedik és ötödik helyen végzett, de a maláj nagydíjon a dobogó legalsó fokára is felállhatott. 
2009-re „Dovi” lett a Repsol Honda első számú versenyzője Nicky Hayden távoztával. Eddig ebben a szezonban is megtartotta korábbi szokását, az eltelt négy versenyből háromszor is a negyedik vagy ötödik helyen végzett.

Andrea Dovizioso hivatalos oldala