Ende 2011 wurde Doviziosos Honda Vertrag nicht weiter verlängert. Daher wechselte der Italiener zur Saison 2012 zum "Tech-3"-Team und pilotierte eine Yamaha YZR-M1. Sein Teamkollege war dort der Brite Cal Crutchlow. 2013 wechselte er zu Ducati. Nicky Hayden wurde sein neuer Teamkollege. Zur Saison 2014 hat Nicky Hayden das Team verlassen, und Cal Crutchlow wurde erneut sein Teamkollege. Die Saison 2015 ist seine dritte im Ducati Team. Sein neuer Teamkollege in diesem Jahr ist Andrea Iannone. Im Folgejahr gelang ihm beim Großen Preis von Malaysia sein erster Sieg seit sieben Jahren sowie sein insgesamt zweiter MotoGP-Sieg. Für 2017 erhielt er mit Jorge Lorenzo einen neuen Teamkollegen. Vor dem letzten Rennen in Valencia hatte Andrea Dovizioso 21 Punkte Rückstand auf Marc Márquez, den erstplatzierten in der WM-Wertung. Um Weltmeister zu werden, musste Dovizioso zwingend gewinnen und der Spanier nicht besser als den zwölften Platz erreichen. Da Márquez allerdings dritter wurde und Dovizioso nach einem Sturz das Rennen aufgab, wurde der Italiener zum ersten Mal Vizeweltmeister in der MotoGP-Klasse. In der Saison 2018 wurde er zum zweiten Mal Vizeweltmeister, mit einem deutlichen Rückstand von 76 Punkten auf Marc Márquez. In dieser Stand stand er neunmal auf Podium und gewann vier Rennen.