En 2011 pilotó la Honda RC212V del Gresini Racing. Coincidió como compañero de box con el italiano Marco Simoncelli, quien perdió la vida en un accidente durante el GP de Malasia. Aoyama finalizó la temporada en décima posición, obteniendo un cuarto puesto en el GP de España como mejor resultado. Participó en el equipo Repsol Honda Team en el GP de Assen sustituyendo al lesionado Dani Pedrosa.