Temporadas 2004/2010

En 2004 Rossi compitió para esta marca considerada técnicamente inferior a la Honda.Pero Rossi aceptó el reto y llevó a su nuevo equipo como jefe de ingenieros a Jeremy Burgess, que le había acompañado en Honda desde su primera temporada en el 2000. El resultado fue una moto altamente competitiva que logró un título mundial después de doce años para Yamaha.

En el 2005, aún criticado por su paso a Yamaha, Rossi gana de nuevo el mundial de motociclismo en la carrera disputada en el circuito de Sepang, el 25 de septiembre de aquel año. Aún faltaban cuatro carreras para el final del campeonato. Esa temporada Rossi ganó 11 de las 18 carreras disputadas, sumó 16 podios, ganando 367 de 425 puntos posibles.

En 2009, de nuevo con Yamaha, Rossi se enfrenta a una de sus temporadas más interesantes por la rivalidad suscitada con su propio compañero de equipo: Jorge Lorenzo, quien le obliga a esforzarse en más de una carrera y con quien disputa el primer lugar en la clasificación durante casi toda la temporada.Aunque con esto Valentino consigue su Noveno Titulo Mundial.