Pada 2003, bersama tim yang sama, dia finis kelima di klasemen keseluruhan dan mendapatkan empat podium. Dovizioso memenangkan lima balapan selama musim 2004 dan enam kali naik podium untuk merebut gelar juara kelas 125cc dengan 293 poin.
Pada 2005, dia beralih ke kelas 250cc. Bersama Scot Honda, Dovizioso meraih lima podium dan menduduki peringkat ketiga secara keseluruhan. Dia juga dinobatkan sebagai Rookie of the Year.
Setahun berselang, dia tetap dengan skuad yang sama, tetapi tim berganti nama menjadi Humangest Racing. Dia memenangkan dua balapan di Barcelona dan Estoril. Total, dia naik podium sebanyak 11 kali.
Pada 15 September 2007, Dovizioso menegaskan akan naik ke kelas MotoGP dengan skuad saat itu untuk musim 2008. Dia finis keempat di pembukaan musim di Qatar, melewati Valentino Rossi di lap kedua dari belakang, pada debutnya di kelas balap teratas.
Dovizioso menggantikan Nicky Hayden sebagai pembalap Repsol Honda untuk musim 2009. Dia pun berpasangan dengan Dani Pedrosa dari Spanyol. Dovizioso memenangkan balapan MotoGP pertamanya di Donington Park, Inggris , pada Juli 2009.