Etter spekulasjoner om at Rossi skulle gå over til Ducati Team før 2011-sesongen, ble det den 15. august 2010 offentliggjort at Rossi har signert en to-års kontrakt med det italienske laget. Han skal ta over plassen til Casey Stoner, som går over til Repsol Honda før 2011-sesongen. Fra 2013 er Rossi tilbake i Yamaha's fabrikklag.