Dopo sei stagioni nelle classi minori, coronate nel 2004 dal titolo mondiale della 125, Andrea fa il suo debutto in MotoGP nel 2008 con un team satellite di Honda. Alla fine della stagione sarà quinto, ma primo dei piloti non ufficiali, tanto da essere subito paragonato a Valentino Rossi.  Il talento dimostrato all'esordio colpisce il Team Honda che lo arruola per la stagione successiva, durante la quale vince il suo primo e finora unico GP a Donington Park. Dovizioso resta nel team ufficiale Honda per tre anni e nel 2012 passa alla Yamaha nel team satellite Tech3, una stagione positiva durante la quale conquista sei podi. L'anno successivo approda alla Ducati con lo scopo di riportare alla vittoria la Desmosedici, ma è un'annata da dimenticare. Il 2015, con l'arrivo in Ducati di Gigi Dall'Igna, porta il “Dovi” cinque volte sul podio, con tre secondi posti consecutivi nelle prime tre gare. Positiva anche la stagione 2016, impreziosita dal suo primo successo su Ducati nella classe regina ottenuto a Sepang. Nel 2017 e nel 2018 è l'unico a contender eil titolo a Marc marquez e l'unico a riuscire a batterlo con epiche sfide all'ultimo giro. Il 2019 è di nuovo in Ducati per tentare l'assalto definitivo al titolo.