Ở đội đua Fiat Yamaha, Rossi đã điều khiển chiếc YZR-M1, chiếc xe 800cc này kém hơn hẳn so với chiếc RC211V mà Rossi từng điều khiển khi còn đua cho Honda.

Vào mùa giải 2007 tại Qatar, Rossi đã về hạng nhì (sau Casey Stoner của đội Ducati), anh đã lái chiếc xe 800cc M1.

Đến năm 2008, Rossi đã thay đổi vỏ Bridgestone cho chiếc M1 của mình. Sau khi xuất phát ở vị trí thứ 5, Rossi đã vươn lên dẫn đầu, bỏ xa các đối thủ khác, kể cả Casey Stoner. Chiến thắng đó của anh là chiến thắng đầu tiên khi anh về với đội Fiat Yamaha.

Ngày 8/6/2009, Rossi đã lái chiếc Yamaha của mình chạy đua thử với tay đua có biệt danh là "Tay đua của Chúa" Giacomo Agostini

Mùa giải MotoGP 2009, Rossi đã về hạng nhất, và đồng đội của anh là Jorge Lorenzo ở đội Fiat Yamaha về vị trí thứ 6.

Chiến thắng ở MotoGP 2009 đã giúp anh nâng tổng số lần vô địch lên đến 9 lần và anh kỷ niệm chiến thắng thứ 100. Rossi là tay đua xếp vị trí thứ 2 về số lần chiến thắng ở MotoGP.