Tahun 2000, sebenarnya Bayliss akan membalap di American Motorcyle Association (AMA) Championship, namun tengah musim masuk ke WSBK dan mampu menang dua balapan.
2001 Bayliss akhirnya menjadi pembalap penuh di WSBK, membalap untuk Ducati dan berhasil menjadi juara Dunia. Waktu itu umurnya sudah 31 tahun.
Tahun 2002 sebenarnya dibuka dengan sempurna oleh Bayliss, dia tampil mendominasi dan memimpin dengan jarak yang jauh dari Colin Edwards yang membalap untuk Honda.
Namun serangan balik dari Edwards membuat Bayliss kalah di seri terakhir dan kehilangan gelar dunia. Namun prestasinya itu bisa membuat Ducati yakin untuk memboyongnya ke Motogp.
Walau kemudian karir Motogp Bayliss tidak bagus seperti di WSBK, Bayliss akhirnya memutuskan untuk kembali pada musim 2006 ke WSBK.
Tahun itu Bayliss langsung kembali memenangkan gelar di WSBK, hal ini membuat Ducati kembali membawanya ke Motogp untuk menggantikan Sete Gibernau yang cedera di seri pamungkas Valencia. Balapan terakhir Bayliss di Motogp adalah di Valencia 2006, dimana akhirnya Bayliss bisa memenangkan balapan Motogp.
Gelar terakhir Bayliss dia raih pada tahun 2008, mengendarai motor baru Ducati 1098 FO8 yang walau performa dirinya tidak sedominan tahun 2006 atau 2002, Bayliss mampu menang dengan selisih jauh dari posisi Runner up.
