Temporadas 2000/2003

En el año 2000 debutó en los 500c.c. pilotando la Honda NSR500 y a pesar de cometer algunos errores ganó dos carreras y quedó segundo en el campeonato a 49 puntos de Kenny Roberts Jr. y es que ese año la Honda contaba con una clara superioridad técnica sobre las demás motos de la parrilla.

En 2001, la última temporada antes de la sustitución de esta categoría por MotoGP, continuó en el equipo Nastro Azzurro pilotando la NSR500, con la que consiguió 11 victorias. Esa temporada Rossi sumó su tercer título mundial, primero en la categoría.

En el año 2002 debutaron las MotoGP de 990 c.c., y Rossi fichó por el equipo Honda Repsol HRC, pilotando la RC211V de 5 cilindros, una máquina invencible y en clara superioridad respecto a las demás. En 2003 Rossi arrasó a la competencia, ganando 9 carreras en la misma temporada, y las RC211V ganaron 15 de 16 posibles.