El tricampeón del mundo de SBK Troy Bayliss inició la andadura de Ducati en MotoGP en 2003, junto al italiano Loris Capirossi. La Desmosedici GP3 sería la montura oficial y abandonaba la típica configuración bicilíndrica de la marca para adoptar una de cuatro cilindros en V, manteniendo el conocido sistema desmodrómico. Capirossi finalizaba tercero en el GP de Japón tras su primera carrera firmando la primera victoria de Ducati en el Gran Premio de Cataluña de ese mismo año. Entre los dos pilotos acumularon dos poles, nueve podios y una victoria a final de temporada, entrando en el top 6 de la clasificación general. El dúo repitió en el equipo de fábrica en 2004, pero la GP4 resultó ser una moto más difícil de pilotar y Ducati sólo lograba dos podios en toda la temporada.
Carlos Checa llegó a Ducati para reemplazar a Troy Bayliss en 2005, el mismo año que Ducati postaba por neumáticos Bridgestone. Capirossi fue el mejor piloto de la fábrica con tres poles, dos victorias y otros dos podios para finalizar sexto en la clasificación.
Con la GP6 se producía una mejora en la aerodinámica y estos cambios permitieron a Capirossi liderar el campeonato a principio de año pero un accidente del italiano con Sete Gibernau en el Gran Premio de Cataluña Sete Gibernau y Capirossi truncaron el buen comienzo de año. La actuación de Troy Bayliss durante el Gran Premio de Valencia, última cita de la temporada, quedó en la memoria de todos los ducatistas. Reemplazando a Sete Gibernau ganó de principio a fin, mientras que Loris Capirossi firmaba la segunda posición de la carrera (tercero en la general), consolidando a Ducati como una seria aspirante al título.
En 2007 Casey Stoner fichaba por Ducati tras debutar en MotoGP con el Honda LCR y compartiría box con Loris Capirossi. En la primera carrera de Qatar quedaba demostrado que el binomio Ducati-Stoner sería imparable: diez victorias y un Campeonato del Mundo de MotoGP en Motegi que supo a gloria.
Loris Capirossi fue sustituido por Marco Melandri en la temporada 2008, con resultados muy decepcionantes (sólo conseguía finalizar entre los cinco primeros en una carrera). Por otro lado Casey Stoner acumulaba seis victorias sumando así 280 puntos, logrando el subcampeonato.
Con la GP9 llegaba el abandono del chasis multitubular de acero a favor de una estructura monocasco de carbono. Nicky Hayden fue el compañero de equipo del piloto australiano. Casey conseguía cuatro victorias y cuatro podios pero una enfermedad le hacía perderse tres carreras y lo dejaba fuera de la lucha por el título. El dúo se mantuvo en 2010 y la GP10 adoptó una aerodinámica y un motor más fiable. Stoner fue, una vez más, el único piloto que sabía ganar con Ducati logrando las tres últimas victorias de la marca italiana en MotoGP hasta el momento.
Valentino Rossi fue el fichaje estrella de 2011 para ocupar el puesto de Casey Stoner. Tanto él como Nicky Hayden sólo consiguieron dos podios en toda la temporada. La GP11 se sometía a muchos cambios y los pilotos no supieron adaptarse a sus mejoras. Al año siguiente se aumentó el motor a 1.000 cc y la marca de Bolonia utilizó un chasis doble viga de aluminio por primera vez en su historia. La última temporada de Rossi en Ducati se saldó con un 2º en Misano y en Le Mans.
En 2013 Andrea Dovizioso se unía al equipo de fábrica Ducati y formaba tándem con Nicky Hayden. El dúo no lograba terminar entre los tres primeros en ningún Gran Premio para concluir el año octavo y noveno respectivamente en la clasificación. Al término de la misma Ducati fichó al ingeniero Gigi Dall’Igna como director general de Ducati Corse para intentar cambiar el rumbo del departamento de competición.
La GP14 y la GP14.2 fueron las primeras motos diseñadas por Dall’Igna. Andrea Dovizioso conseguía dos podios, una pole en Japón y muchas actuaciones entre los cinco primeros pilotos. Cuestiones técnicas y múltiples lesiones hicieron que fuese un año difícil para el nuevo integrante del equipo, Cal Crutchlow, que conseguía subirse al podio una sola vez.
Andrea Iannone se unía a Andrea Dovizioso el año pasado al manillar de la GP15. Un comienzo de temporada increíble para Andrea Dovizioso que conseguía mantenerse en tercera posición durante tres carreras consecutivas. Andrea Iannone también demostró que en Ducati eran capaces de ganar tras la impresionante carrera de Phillip Island.
Para este año la formación se repite, esta vez con la Desmosedici GP16 y Dovizioso arrancó en Qatar con un segundo puesto, que hubiese mantenido de no ser porque le tiraron en Argentina y Austin. En esta última carrera Iannone firmó un tercer puesto.
