Als winnaar van de 125cc Italian Aprilia Challenge in 2000 won Andrea Dovizioso in 2001 het EK 125cc en maakte dat jaar op Mugello als wildcard zijn debuut in de 125cc Grand Prix. In 2002 nam Dovizioso deel aan het WK 125cc met Team Scot Honda en eindigde dat jaar op de 16e plaats, met als beste resultaat een negende plaats op Le Mans en Donington.
Dovizioso bleef het jaar erop bij het team, eindigde het seizoen op de vijfde plaats en stond vier keer op het podium, om in 2004 met vijf overwinningen en in totaal elf podiums met 293 punten tot wereldkampioen te worden gekroond.
In 2005 maakte Dovizioso de overstap naar de 250cc met Team Scot Honda, stond in zijn debuutjaar maar liefst vijf keer op het podium, eindigde het kampioenschap op de derde plaats en werd tot beste rookie van het seizoen gekroond.
Als nieuwe ster in de 250cc vocht Dovizioso al in zijn tweede seizoen een verbeten strijd om de wereldtitel in de 250cc Grand Prix, dat pas in de allerlaatste race van het seizoen op Valencia in het voordeel van Jorge Lorenzo zou worden beslist. Met 2 overwinningen en 11 podiums werd Dovizioso tot vice-wereldkampioen gekroond.
In 2007 vocht Dovizioso opnieuw een verbeten strijd met Jorge Lorenzo, maar moest opnieuw genoegen nemen met de tweede plaats in de eindstrijd. Op 15 september dat jaar kondigt hij aan het jaar erop met zijn bestaande team de stap naar de 500cc te maken. Tijdens zijn debuut in Qatar maakte Dovizioso meteen furore door in de allerlaatste ronde Valentino Rossi voorbij te gaan. Hij eindigde het seizoen op de vijfde plaats en finishte een keer op het podium, op de derde plaats op Sepang.
Voor het 2009 seizoen maakte Dovizioso de overstap naar het Repsol Honda Team, waar hij Nicky Hayden verving en teamgenoot van Dani Pedrosa werd. In juli won hij zijn eerste 500cc Grand Prix op Donington, maar eindigde dat jaar een plaats lager in de eindstand.
Drie jaar lang bleef Dovizioso bij Repsol Honda, het laatste seizoen als derde viool naast Dani Pedrosa en Casey Stoner die van Ducati op Honda was overgestapt. Gedurende dat 2011 seizoen werd steeds duidelijker dat er geen toekomst meer was voor hem bij Repsol Honda, dat niet van plan was het 3-mans team in 2012 door te zetten.
Dovizioso koos eieren voor z'n geld en tekende een eenjarig contract bij Tech3 Yamaha als teamgenoot van Cal Crutchlow, begon het seizoen voortvarend met drie top 5 noteringen in zijn eerste drie races, gevolgd door een 7e plaats in Le Mans. In zijn vijfde race voor Yamaha was het eerste van in totaal zes podiums dat jaar een feit, hij eindigde het seizoen op de vierde plaats.
In 2013 maakte Dovizioso de overstap naar Ducati, waar hij de plaats innam van Valentino Rossi die na twee teleurstellende jaren weer terug naar Yamaha was gegaan. Het was voor DesmoDovi een moeilijk seizoen op de slecht presterende Desmosedici, met een vierde plaats op een nat Le Mans als beste resultaat.
Het tweede seizoen ging het al iets beter, met een eerste podium op het Circuit of the Americas en een tweede plaats in de TT van Assen. In Japan kwalificeerde hij zich voor het eerst met Ducati op de pole, zijn eerste pole sinds 2010. Dovizioso zette zijn opmars met de Desmosedici de jaren daarop voort, maar bleef worstelen met de Desmosedici die lang niet overal competitief bleek te zijn.
Dat veranderde in 2017, in wat inmiddels zijn vijfde seizoen bij Ducati was. Voor het derde jaar op rij finishte hij de openingsrace in Qatar op de tweede plaats, viel in de daaropvolgende race uit en finishte daarna in Texas, Jerez en Le Mans ook buiten het podium, maar schreef daarna zijn thuisrace op Mugello en de daaropvolgende race op Catalunya op naam.
Met overwinningen op de Red Bull Ring en Silverstone was zijn tweede back-to-back een feit, daarnaast schreef hij ook de Grand Prix van Japan en Maleisië op naam, om het seizoen op de tweede plaats te eindigen op 37 punten van Marc Marquez.
In 2018 was Dovizioso opnieuw zeer competitief, schreef voor het eerst de openingsrace in Qatar op naam en finishte dat jaar negen keer op het podium, waarvan vier keer op de hoogste trede, maar viel in Spanje, Frankrijk ken Catalunya uit en werd daardoor opnieuw tweede achter Marc Marquez.
In 2019 behaalde hij met 296 punten zijn hoogste puntentotaal in de MotoGP in zijn carrière, stond dat jaar iets minder vaak op het podium, maar was veel constanter en eindigde daardoor het seizoen opnieuw op de tweede plaats.
In 2020, het eerste jaar van corona, reed Dovizioso nog voor Ducati, maar de relatie met Gigi Dall'Inga - en Ducati's gebrek aan commitment hem een nieuw contract aan te bieden - was zo erg bekoeld dat hij voor de kwalificatie op de Red Bull Ring aankondigde Ducati aan het eind van het seizoen te verlaten.
Met geen aanbiedingen nam Dovizioso in 2021 een sabbatical, met het idee om in 2022 weer terug te keren. Hij deed voor Aprilia Racing testwerk op de RS-GP, waar hij mogelijk in 2022 de plaats in zou kunnen nemen van Andrea Iannone, indien hij definitief een ban zou worden opgelegd vanwege dopinggebruik.
Aprilia koos echter voor Maverick Vinales, die op de Red Bull Ring bij Yamaha in ongenade was gevallen nadat hij in de uitloopronde in frustratie het blok van zijn M1 had geprobeerd op te blazen. Vinales werd direct op non-actief gezet, waardoor Franco Morbidelli naar het fabrieksteam doorschoof en Dovizioso zijn plaats bij Petronas Yamaha innam.
Dovizioso stond net als Quartararo en Morbidelli direct bij Yamaha onder contract en kreeg de beschikking over dezelfde fiets als de fabriekscoureurs, maar Quartararo bleek de enige coureur die met de nieuwe M1 overweg kon, waardoor zijn comeback dramatisch uitpakte.
Gedesillusioneerd kondigde hij afgelopen zomer aan na de Grote Prijs van San Marino op het Misano World Circuit Marco Simoncelli de racehelm aan de wilgen te hangen.
In zijn 21-jarige carrière heeft Andrea Dovizioso maar liefst 346 races gereden en is daarmee de coureur met het op een na hoogst aantal starts. In die lijst moet hij alleen Valentino Rossi boven zich dulden, die maar liefst 25 jaar actief was en 435 wedstrijden reed. In die 346 races finishte Dovizioso 103 keer op het podium (bijna een op de drie races), waarmee hij in het klassement van totaal aantal podiums de 10e plaats inneemt. Wat dat aantal extra bijzonder maakt is dat hij een van de weinige coureurs is die erin is geslaagd om in de MotoGP met 3 verschillende merken op het podium te staan.
Palmares Andrea Dovizioso:
| Seizoen | Raceklasse | Merk | Starts | Poles | 1e | 2e | 3e | Podiums | Punten | Eindstand |
2022 | MotoGP | Yamaha | 14 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 15 | 21 |
2021 | MotoGP | Yamaha | 5 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 12 | 24 |
2020 | MotoGP | Ducati | 14 | 0 | 1 | 0 | 1 | 2 | 135 | 4 |
2019 | MotoGP | Ducati | 19 | 0 | 2 | 3 | 4 | 9 | 269 | 2 |
2018 | MotoGP | Ducati | 18 | 2 | 4 | 3 | 2 | 9 | 245 | 2 |
2017 | MotoGP | Ducati | 18 | 0 | 6 | 1 | 1 | 8 | 261 | 2 |
2016 | MotoGP | Ducati | 18 | 2 | 1 | 3 | 1 | 5 | 171 | 5 |
2015 | MotoGP | Ducati | 18 | 1 | 0 | 3 | 2 | 5 | 162 | 7 |
2014 | MotoGP | Ducati | 18 | 1 | 0 | 1 | 1 | 2 | 187 | 5 |
2013 | MotoGP | Ducati | 18 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 140 | 8 |
2012 | MotoGP | Yamaha | 18 | 0 | 0 | 0 | 6 | 6 | 218 | 4 |
2011 | MotoGP | Honda | 17 | 0 | 0 | 4 | 3 | 7 | 228 | 3 |
2010 | MotoGP | Honda | 18 | 1 | 0 | 3 | 4 | 7 | 206 | 5 |
2009 | MotoGP | Honda | 17 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 160 | 6 |
2008 | MotoGP | Honda | 18 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 174 | 5 |
2007 | 250cc | Honda | 17 | 2 | 2 | 4 | 4 | 10 | 260 | 2 |
2006 | 250cc | Honda | 16 | 2 | 2 | 5 | 4 | 11 | 272 | 2 |
2005 | 250cc | Honda | 16 | 0 | 0 | 2 | 3 | 5 | 189 | 3 |
2004 | 125cc | Honda | 16 | 8 | 5 | 5 | 1 | 11 | 293 | 1 |
2003 | 125cc | Honda | 16 | 1 | 0 | 2 | 2 | 4 | 157 | 5 |
2002 | 125cc | Honda | 16 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 42 | 16 |
2001 | 125cc | Honda | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Totaal | 346 | 20 | 24 | 39 | 40 | 103 |