Ha sempre corso con il numero portafortuna 46 (lo stesso numero che aveva suo padre nella sua prima vittoria in 250), ed è soprannominato "The Doctor", "Rossifumi" (dal nome di Norifumi Abe) e "Valentinik".
Nel 1995 è diventato campione italiano della classe 125 e nel 1996 è arrivato l'esordio con l'Aprilia nel campionato del mondo nella 125, classe in cui l'anno seguente ha vinto il primo titolo mondiale. Nel 1997 sempre con l'Aprilia è passato in classe 250, vincendo l'anno seguente il titolo mondiale. Nel 2000 è passato in classe 500 con la Honda, e nel 2001 ha conquistato il titolo mondiale nell'ultimo anno delle moto di cilindrata 500cc, vincendo nello stesso anno la 8 ore di Suzuka del Mondiale Endurance insieme a Colin Edwards.
Nella Moto GP, che viene introdotta nel 2002, Valentino vince due titoli con la Honda per passare alla Yamaha insieme al tecnico Jeremy Burgess, con la quale vince altri due titoli mondiali nel 2004 e 2005, portando il totale a sette.
Dopo avere rifiutato la Ducati e il salto in Formula 1 con la Ferrari, nel 2006 ha perso il mondiale cadendo all'ultima gara dopo aver rimontato 51 punti a Nicky Hayden, che vincerà il suo primo mondiale. Il 2007 è l'anno della Ducati, che con Casey Stoner domina il campionato, per Valentino, oltre ai guai con il fisco, c'è il rammarico di avere perso per un punto all'ultima gara anche la seconda posizione.
Il 2008 è l'anno del riscatto: con il passaggio alla Bridgestone e una Yamaha nuovamente ai massimi livelli il pesarese, dopo un duello serrato con Stoner, infila 5 vittorie consecutive conquistando il suo ottavo mondiale. L'anno seguente, dopo un'avvincente duello con il compagno di squadra Jorge Lorenzo, Valentino conquista il suo nono titolo mondiale, il settimo nella classe regina, avvicinando ancora di più il mito Giacomo Agostini.
Nel 2010 Valentino vince la prima gara, ma le cadute con la moto da cross e in pista gli procurano lesioni alla spalla e alle gambe, spianando la strada all'astro nascente Lorenzo, che domina la stagione con 9 vittorie. Il 2011 è l'anno del matrimonio con la Ducati, l'anno peggiore sia in termini di risultati che per la morte di Marco Simoncelli, amico di Vale dentro e fuori la pista.