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 c'è il rammarico di avere perso per un punto all'ultima gara anche la seconda posizione.