Tahun 2000 Melandri naik kelas ke 250 cc bersama Aprilia dan meraih posisi ke-5 klasemen akhir, bagus untuk pembalap rookie.
Di musim keduanya (2001), Melandri langsung melesat ke P3, lalu menjadi juara dunia kelas 250 cc pada 2002 dengan meraih 9 kemenangan dari 16 seri yang ada.
Melandri langsung menyusul seniornya yang juga sempat dekat dengannya, Valentino Rossi, ke kelas premier MotoGP di tahun 2003, membela tim Fortuna Yamaha.
(Baca Juga: Enggak Ada di Negara Lain, Sirkuit MXGP di Semarang Bakal Ditabur Gabah, Buat Apa?)
Pindah ke tim Movistar Honda pada 2005, Melandri langsung jadi ancaman besar buat Valentino Rossi.
Dengan kekuatan RC211V, Melandri meraih posisi ke-2 di klasemen akhir MotoGP 2005 dimana Rossi saat itu keluar jadi juaranya.
Di 2006 dan 2007 dengan Honda, Melandri masih bisa bertahan di papan atas MotoGP.
Petaka mulai di 2008 ketika dirinya bergabung dengan Ducati.
Tugas berat diemban Melandri yang menjadi rekan baru Casey Stoner yang setahun sebelumnya (2007) menjadi juara bersama Ducati.