Zmiana teamu na Repsol Honda. Końcowa klasyfikacja: 1. miejsce i 355 punktów – 11 zwycięstw: Japonia, Hiszpania, Francja, Katalonia, Włochy, Holandia, Wlk. Brytania, Niemcy, Portugalia, Brazylia i Australia. 2003 – mistrz świata w klasie MotoGP, team Repsol Honda. Końcowa klasyfikacja: 1. miejsce i 357 punktów – 9 zwycięstw: Japonia, Hiszpania, Włochy, Czechy, Portugalia, Brazylia, Malezja, Australia i Walencja. 2004 – mistrz świata w klasie MotoGP, team Gauloises Fortuna Yamaha. Końcowa klasyfikacja: 1. miejsce i 304 punkty – 9 zwycięstw: RPA, Włochy, Katalonia, Holandia, Wlk. Brytania, Portugalia, Malezja, Australia, Walencja 2005 – mistrz świata w klasie MotoGP. Końcowa klasyfikacja: 1. miejsce i 367 punktów – 11 zwycięstw: Hiszpania, Chiny, Francja, Włochy, Katalonia, Holandia, Wielka Brytania. Niemcy, Czechy, Katar, Australia. 2006 – wicemistrz świata w klasie MotoGP (mistrzem świata został Nicky Hayden). Końcowa klasyfikacja: 2. miejsce i 247 punktów – 5 zwycięstw: Katar, Włochy, Katalonia, Niemcy, Malezja. 2007 – najsłabszy sezon od roku 2001. Końcowa klasyfikacja: 3. miejsce i 241 punktów – 4 zwycięstwa: Hiszpania, Włochy, Holandia, Portugalia. 2008 – szósty tytuł w najwyższej klasie i ósmy w karierze. W ciągu 18 rund zebrał rekordową pulę 373 punktów. Stanął łącznie szesnaście razy na podium.