El 9 de noviembre de 2018 se anunció su fichaje para la temporada siguiente con el equipo GRT Yamaha WorldSBK, equipo debutante en la categoría, usando una Yamaha YZF-R1. Su compañero de equipo fue el también debutante Sandro Cortese. El 23 de febrero de 2019 alcanzó el tercer lugar en Phillip Island en la primera carrera con su nuevo equipo. En la temporada consiguió otros dos podios más, ambos fueron logrados en el Circuito de Jerez, terminó tercero tanto en la carrera 1 como en la carrera superpole. El 9 de julio de 2019, Melandri anunció públicamente que tomó la decisión de retirarse al final de la temporada 2019. En su último fin de semana como piloto profesional, clasificó decimoséptimo para las carreras 1 y superpole en las cuales terminó en la decimosegunda y décima posición. Para la carrera 2, largo en la décima posición y concluyó su última carrera como piloto profesional en la decimoséptima posición.