L'anno seguente, sempre su Aprilia, passa alla classe 250. Dopo un primo anno di ambientamento, nel 1999 ottiene anche in questa classe il titolo iridato. Il 2000 è l'anno del passaggio alla classe regina, la classe 500, e del cambio di moto. Firma, infatti, un contratto con la Honda. Anche nella 500 il primo anno è di studio, ma nel 2001, ultima stagione prima della sostituzione di questa classe con la MotoGP, arriva il terzo titolo iridato. Sempre nel 2001, Rossi si cimenta nella prova più importante del Mondiale Endurance per le case giapponesi: la 8 ore di Suzuka, imponendosi assieme all'allora compagno di marca (e ufficiale Superbike Honda) Colin Edwards.