רוסי הוא בנו של גרציאנו רוסי שהיה בעבר רוכב מרוצי אופנועים בעצמו. הוא החל לעסוק בספורט מוטורי כבר בגיל שנתיים. הוא רכב על אופנוע מיני שקיבל מאביו, אך עקב התנגדותה של אימו הוא עבר לנהוג במכוניות קארטינג והשתתף בתחרויות כבר בגיל חמש. את רוב ילדותו המוקדמת העביר רוסי בתחרויות קארטינג ובגיל 11 כבר זכה במרוצים אזוריים רבים. במקביל החל בגיל 10 להשתתף בתחרויות אופנועי מיני, אך קארטינג עדיין היווה את עיסוקו העיקרי. בגיל 12 הוא החליט, כנראה בהנחיית אביו, לזנוח את הקארטינג עקב עלויות השתתפות גבוהות. עקב כך הוא נשאר להתחרות באופנועי המיני בלבד.
ב-1993, בגיל 14, הוא התקשה להתחרות על אופנועי מיני עקב היותו גבוה משאר המתחרים, ורכש את האופנוע הראשון שלו - קג'יבה מיטו 125. הוא התחרה באליפות איטליה לאופנועים סדרתיים ובסופשבוע המרוצים הראשון שלו הוא התרסק עם האופנוע מספר פעמים, אך סיים במקום התשיעי. בסוף העונה במרוץ במיזאנו הוא סיים בפעם הראשונה בראש מקצי הדירוג (פול פוזישן) ובמרוץ סיים על הפודיום.
בעונת 1994 קיבל רוסי תמיכה רשמית מקאג'יבה וזכה באליפות איטליה לאופנועים סדרתיים בקטגוריית 125 (Sport Production). בעונה הבאה הוא עבר להשתתף באליפות אירופה ואיטליה. בעונה זו הוא עבר לרכוב עבור אפריליה שאפשרה לו לרכוב על ה-RS125R, שהיה אופנוע מרוץ רשמי של המפעל. הוא סיים את עונת 1995 כאלוף איטליה ב-125 ושלישי בדירוג האירופי.
המעבר לגרנד פרי.
ב-1996 רכב רוסי לראשונה במרוץ אופנועי גרנד פרי בקטגוריית 125 על אופנוע אפריליה. מרוץ הבכורה שלו היה בסיבוב של מלזיה. בסיבוב של צרפת הוא השיג את ההקפה המהירה ביותר של מרוץ, אך לא סיים אותו. באוסטריה הוא עלה לראשונה לפודיום ובברנו (צ'כיה) הוא השיג ניצחון במקצי הדירוג וזכה לראשונה בניצחון במרוץ גרנד פרי. את עונת 1996 סיים רוסי במקום התשיעי.
עונת 1997 התחילה בניצחון במלזיה. אמנם את המרוץ הבא ביפן רוסי לא סיים, אך היה זה אירוע נדיר בעונה זו. הוא השיג 11 ניצחונות מתוך 15 מרוצים ורק פעמיים לא סיים על הפודיום. אף כי רוסי נהנה באותה עונה מעזיבת אלוף השנתיים הקודמות, הרוצ'יקה איוקי היפני לקטגוריית ה-250, ביצועיו הדגימו לסובבים אותו את הפוטנציאל הטמון בו והוא מיהר לעבור לקטגוריית ה-250 כשהוא רק בן 18. סיבה נוספת למעבר המהיר לקטגוריה הבאה הייתה גובהו ומשקלו של רוסי (178 סנטימטר ומעל ל-60 קילוגרם) שהיו גבוהים באופן יחסי לרוכבי גרנד פרי אחרים שגובהם הממוצע הוא כ-160 סנטימטר.
בעונתו הראשונה ב-250 הצליח רוסי לנצח בחמישה מרוצים וייתכן שאף היה מצליח לזכות באליפות באותה עונה אלמלא סבל מחוסר יציבות בתחילתה. הוא לא סיים מספר מרוצים, לרוב בגלל בעיות הקשורות באופנוע האפריליה RS250. איתו בקבוצת אפריליה הרשמית רכבו לוריס קפירוסי האיטלקי וטסויה האראדה היפני. רוסי סיים את העונה במקום השני, בהפרש של 23 נקודות מקפירוסי. גם בעונה זו נהנה רוסי ממעברו של אלוף ארבע השנים הקודמות, מקס ביאג'י האיטלקי, לקטגוריית ה-500.
עונת 1999 שוב הובילה את רוסי לאליפות בניסיון שני בקטגוריה. הוא ניצח בתשעה מרוצים והשיג חמישה ניצחונות במקצי הדירוג. כעת היה כבר מועמד למעבר לקטגוריה הבכירה ושמו הוזכר תדירות כאלוף עתידי, במיוחד לאור העובדה שאלוף השנים 1994 עד 1998, מיק דוהאן האוסטרלי, פרש עקב פציעה.
עלייה לקטגוריה הבכירה.
עם העלייה לקטגוריית ה-500 החליף רוסי קבוצה ואופנוע. לאחר שנים ארוכות של רכיבה על אופנועי אפריליה הוא עבר לרכוב על ה-NSR500 של הונדה בקבוצת "רפסול". הוא זכה לקבל ייעוץ אישי ממיק דוהאן ולמעשה קיבל את כל התנאים שדוהאן זכה להם כולל קבוצת מכונאים בראשותו של המהנדס הראשי ג'רמי ברג'ס האוסטרלי. בדומה לעונות הקודמות, רוסי שוב למד את הקטגוריה בעונה הראשונה ובמרוץ התשיעי של העונה בדונינגטון פארק בבריטניה הוא השיג את ניצחונו הראשון ב-500. הוא סיים את העונה שני, אחרי האלוף האמריקני קני רוברטס ג'וניור.
עונת 2001 הייתה עונת ה-500 האחרונה לפני שינוי התקנות ומעבר לאופנועי ה-MotoGP בעלי מנוע ה-990 סמ"ק וארבע הפעימות. רוסי שלט בעונה זו באופן מוחלט עם 11 ניצחונות מ-16 מרוצים. יריבו הצמוד היה מקס ביאג'י אך הוא סיים את העונה בפער גדול של 106 נקודות מאחורי רוסי. זכייתו של רוסי ב-500 הפכה אותו לרוכב הצעיר אי פעם שזכה בשלוש הקטגוריות. קדמו לו בהישג זה רק הבריטים פיל ריד ומייק היילווד.
עידן ה-MotoGP.
לקראת המעבר לאופנועי ארבע הפעימות של ה-MotoGP הועלו השערות בקשר ליתרון אפשרי של רוכבים בעלי ניסיון במרוצי הסופרבייק. באליפות זו נעשה שימוש באופנועים בעלי בסיס סדרתי ואלו עושים שימוש במנועי ארבע פעימות. רוסי היה כמעט חסר ניסיון ברכיבה על ארבע פעימות (למעט מרוץ בודד בשמונה השעות של סוזוקה) שהרי תמיד השתתף במרוצי גרנד פרי בהם שלטו מנועי שתי פעימות בכל הקטגוריות מאז שנות ה-70 של המאה ה-20. אבל עם פתיחת עונת 2002 הסתבר שרוסי לא סבל כלל מנחיתות. הוא ניצח שמונה מתוך תשעת המרוצים הראשונים וקבע באופן מעשי את תוצאות האליפות מוקדם מאי פעם. בהמשך העונה הוא היה פחות דומיננטי אך השיג עוד שלושה ניצחונות. גם בעונה זו היו שטענו שרוסי נהנה מיתרון מוחלט של האופנוע מכיוון שהונדה הכינה את עצמה לעידן ארבע הפעימות מוקדם מכל היצרנים. למעשה, הטענה הייתה שהונדה היא זו שדחפה לשינוי התקנות כדי לממש את הניסיון הרב שהיה לה במרוצי ארבע פעימות. אופנוע ה-RC211V בעל חמשת הצילינדרים, שהונדה הכינה לרוסי, הסתבר כבשל ביותר מבין אופנועי ארבע הפעימות החדשים של המתחרים. בסיום עונה זו הפך רוסי לרוכב היחיד שזכה באליפות גם בעידן ה-500 וגם ב-MotoGP.
בעונת 2003 זכה רוסי שוב בקלות בתואר האליפות. הוא אמנם לא ניצח במרוצים ברציפות, אך היציבות שלו הרחיקה את המתחרים מכיוון שעלה לפודיום בכל אחד ממרוצי העונה. ביחד עם העונות העוקבות השיג רוסי רצף של 23 מרוצים שבהם עלה לפודיום. המתחרה העיקרי של רוסי בעונה זו היה רוכב הונדה נוסף, הספרדי סטה ג'יברנאו שהצליח לנצח בארבעה מרוצים והסתמן כיריב עיקש ביותר. בסוף עונה זו הסתיים החוזה של רוסי עם הונדה והוא היה צריך להחליט על המשך דרכו.
מהונדה לימאהה.
לקראת עונת 2004 עלתה השאלה אם רוסי נשאר עם הונדה. בעיתונות האיטלקית נפוצו שמועות על מעבר לדוקאטי ואולי אף על פרישה ממרוצי אופנועים לטובת מרוצי מכוניות. ההשערות באו לקיצן עם הודעתו של רוסי על מעבר לימאהה. הוא גם הודיע שהמהנדס הראשי של קבוצת המרוצים של הונדה, ג'רמי ברג'ס, יעבור איתו לימאהה וזאת לאחר שעבד 20 שנה עם הונדה. רוסי ידע שהוא חייב כוח טכנולוגי משמעותי כדי לקדם את האופנוע של ימאהה לרמת האופנוע של הונדה. למרות זאת, המעבר סיפק לרוסי הזדמנות להוכיח שניצחונותיו היו מבוססים בראש ובראשונה על יכולתו האישית ולא רק על יכולת האופנוע של הונדה. בנוסף, הוא זכה לתגמול של עשרות מיליוני דולר שהפכו אותו לאחד מעשרת הספורטאים המשתכרים ביותר באותה עת, בכל ענף ספורט שהוא.
העונה התחילה במרוץ בדרום אפריקה. פרשנים העריכו שג'יברנאו, שניצח במרוץ זה בעונה הקודמת, ינצח גם הפעם לאור העובדה שאופנוע הימאהה YZR-M1 של רוסי עדיין היה זקוק לפיתוח משמעותי כדי להשתוות להונדה RC211V. אך רוסי, בניגוד להערכות המוקדמות, מצליח לנצח תוך מאמץ רב. בסיום המרוץ היה ניכר על רוסי שהיה זה אחד מהמרוצים הקשים בחייו. הוא נראה מותש בניגוד גמור למרוצי העבר בהם היה נראה כאילו סיים מרוצים כבדרך אגב. הניצחון במרוץ הפך את רוסי לרוכב הראשון אי פעם שהצליח לנצח בשני מרוצי גרנד פרי עוקבים על גבי אופנועי שני יצרנים שונים. המשך עונת 2004 עבר בקרבות צמודים עם ג'יברנאו שגם בעונה זו ניצח בארבעה מרוצים. האליפות לא הוכרעה עד למרוץ הלפני אחרון באוסטרליה, אך רצף של שלושה ניצחונות נתן לרוסי אליפות רביעית בקטגוריה הבכירה.
עונת 2005 עברה בשיוט שהזכיר את עונת 2003. בדומה, רוסי לא החמיץ את הפודיום במשך עונה שלמה, ניצח בתשעה מתוך 11 המרוצים הראשונים והוסיף עוד שניים בהמשך. רוסי לא ניצח בקלות בכל מרוץ בעונה זו. הקרבות היו צמודים לעיתים, אך בסופו של דבר ידו של רוסי כמעט תמיד הייתה על העליונה. העונה התאפיינה בהיעדר יריב דומיננטי - סטה ג'יברנאו לא הצליח לשחזר את הצלחתו מהעונות הקודמות ונעלם, אף ללא ניצחון בודד. למקום השני בסוף העונה הגיע מרקו מלנדרי האיטלקי, אך בהפרש גדול מאוד של 147 נקודות.
2006–2007: ללא אליפות.
עונת 2006 היוותה את המשבר הרציני הראשון של רוסי. הוא התחיל את העונה במרוץ גרוע שסיים במקום ה-14. בהמשך הוא ניצח בארבעה מרוצים אך ביניהם הוא לא סיים שלושה מרוצים עקב תקלות טכניות במנוע ובצמיגים. הוא גם סבל משבר ביד לאחר התרסקות במקצי דירוג. חוסר המזל שלא אפיין את רוסי בכל הקריירה נתן את אותותיו וגם רוסי הודה שתואר האליפות בסכנה רצינית, עד כדי אבוד. בעיה חמורה נוספת מבחינתו של רוסי הייתה ביצועים עקביים של שני מתחרים. האמריקאי ניקי היידן והספרדי דני פדרוזה, שניהם רוכבי הונדה, שאיימו לקטוע רצף האליפויות המתמשך של רוסי.