Pada 2011, Dovizioso kembali ke Repsol Honda untuk musim ketiga berturut-turut. Dia mengendarai motor yang sama dengan Casey Stoner dan Dani Pedrosa. Saat itu, dia finis kedua untuk keempat kalinya di Republik Ceko.
Setahun setelahnya, Dovizioso pun finis di lima besar dalam tiga penampilan pertamanya untuk Tech3 pada 2012. Sementara itu, setelah Valentino Rossi kembali ke tim resmi Yamaha pada 2013, Dovizioso direkrut oleh Ducati untuk menggantikan Rossi.
Rekan lama Dovizioso di Tech 3, Cal Crutchlow, bergabung dengannya di Ducati. Alhasil, para pembalap, yang berkompetisi dengan Tech3 pada 2012, bersatu lagi di Ducati.
Dovizioso tetap bersama Ducati untuk musim ketiga berturut-turut. Dia pun berpartner dengan Andrea Iannone, sesama pembalap Italia yang pindah dari Pramac Racing. Dovizioso tidak berganti tim juga pada 2020. Sayang, pada akhir musim, Dovizioso berpisah dengan Ducati.
Dovizioso sempat menjadi pembalap penguji Aprilia Gersini pada musim 2021. Pada pertengahan musim 2021, Dovizioso bergabung dengan Petronas Yamaha. Pada musim 2022, dia tetap di Petronas Yamaha yang telah berganti nama menjadi WithU Yamaha RNF.