Andrea rimane nel team ufficiale tre anni centrando la vittoria a Donington nel 2009 e terminando rispettivamente sesto nel 2009, quinto nel 2010 e terzo nel 2011. Dopo dieci anni di permanenza su moto Honda nel 2012, Dovizioso passa al team Tech3 Yamaha, conquistando un bel quarto posto finale, migliore fra i piloti schierati dai team indipendenti.
Le strade di Dovizioso e Ducati si incontrano nel 2013 e dopo una prima stagione in cui si gettano le basi, già nel 2014 arrivano i primi risultati grazie anche all’arrivo di Luigi Dall'Igna come Direttore Tecnico Ducati Corse. Andrea centra due podi e conquista il quinto posto nella classifica finale.
Nel 2015 Andrea Dovizioso inizia la stagione con tre secondi posti consecutivi sfiorando il successo in Qatar dove scatta dalla pole position. Successivamente sale sul podio anche a Le Mans e a Silverstone. La stagione si chiude con il settimo posto nella classifica piloti. Il 2016 inizia ancora con un podio a Losail, poi nella magica giornata del Red Bull Ring finisce secondo, siglando con Andrea Iannone il ritorno alla vittoria del Ducati Team. Centra ancora un podio in Giappone, per poi culminare la sua stagione con la perentoria vittoria a Sepang. Dovizioso chiude la stagione 2016 con un bel quinto posto in classifica generale.