Pada tahun 2005 Dovizioso pindah ke kelas 250cc, melanjutkan di Tim Scot Honda. Musim ke-5 selesai menempati podium dan peringkat ke-3 di klasemen keseluruhan. Dia juga memenangkan penghargaan Rookie of the Year. Pada tahun 2006 ia tinggal bersama tim, yang sekarang berganti nama menjadi Humangest Racing. Dia memenangkan dua balapan di Barcelona-Catalunya dan Estoril dan selesa dengan memperoleh podium 11 kali. Dia berjuang untuk kejuaraan sampai balapan terakhir musim ini, tetapi harus puas dengan peringkat kedua di belakang Jorge Lorenzo. Pada Musim 2007 dia memenangkan dua balapan di Istanbul dan Donington Park dan menantang sekali lagi untuk kejuaraan, tetapi dia di peringkat tempat ke-2 lagi.