Rossi resmi ikut balapan di World Championship kelas 125 cc pada tahun 1996 bersama Team AGV Aprilia. Pada tahun itu di kelas 500 cc ada Mick Doohan, Carlos Checa, Kenny Roberts Jr, Loris Capirossi dan di kelas 250 cc ada Max Biaggi dan Sete Gibernau yang kelak akan jadi rival-rival Rossi.Â
Rossi mencetak Pole Position dan mencicipi kemenangan pertamanya setelah bersaing sengit dengan Jorge Martinez di Brno, Czech GP pada tanggal 18 Agustus 1996.Â
Di tahun berikutnya Rossi berpindah ke team Nastro Azzuro Aprilia dan memenangkan 11 dari 15 seri yang digelar, termasuk menang di Circuit Sentul, Indonesia. Menobatkan Rossi sebagai juara dunia 125 cc.
Rossi pun naik kelas ke 250 cc di tahun 1998 dan mengganti RS125R nya dengan Aprilia RS250. Seperti yang dialaminya di kelas 125 cc; tahun pertama adalah pembelajaran.Â
Retire pada 2 seri pertama yaitu Jepang dan Malaysia, lalu jadi runner up di 3 seri berikutnya; Spanyol, Italia dan Perancis. Retire lagi di Madrid lalu kemenangan seri pertamanya di 250 cc di Belanda. Dengan total 5 kemenangan seri di musim 250 cc pertamanya mengganjar Rossi bertengger di posisi runner up pada klasemen 1998.Â
Dan pada tahun berikutnya, Rossi tak terbendung lagi. Sebagai satu-satunya pembalap Aprilia pada kelas 250 cc di tahun 1999, Rossi mendominasi dengan menjuarai 9 dari 15 seri yang digelar. Rossi bertarung melawan Loris Capirossi, Tetsuya Harada, Jurgen Fuchs dan Olivier Jacque dalam mendapatkan gelar juara dunia 250 cc yang merupakan title keduanya.
Sebelum era MotoGP, kelas tertinggi World Championship Motorcycle ada di kelas 500 cc. Tahun 2000 merupakan tahun pertama Rossi berlaga di 500 cc. Masih di Nastro Azzuro 500 cc dengan Honda NSR500.Â
Beruntung Rossi berkesempatan mendapat Mick Doohan sebagai mentor di tahun pertamanya, atas bantuan dari Jeremy Burgees; Chief Designer nya kala itu. Rossi berhasil juara pertama kalinya di 500 cc di Donington Park, Inggris pada race nya yang ke-9 setelah pertarungan sengit melawan Kenny Roberts Jr. Berkat pemilihan ban yang tepat di kala perubahan cuaca dari sesi kualifikasi hingga Raceday.Â