La temporada siguiente (2003) fue la de su consagración: obtuvo cinco triunfos y un segundo puesto y, con 223 puntos, se proclamó campeón del mundo del octavo de litro en el circuito malayo de Sepang. En la siguiente prueba, el Gran Premio de Australia disputado en el circuito de Phillip Island, sufrió un aparatoso accidente y se fracturó ambos tobillos.

En 2004 subió a 250cc y, pese a las dificultades que entraña el ascenso de cilindrada, circunstancia a la que se sumaba la incertidumbre sobre su recuperación de las lesiones producidas en el ya referido accidente, no tardó en consolidarse como el mejor del cuarto de litro: los 292 puntos que alcanzó en la penúltima carrera del Mundial, precisamente el Gran Premio de Australia, le permitieron convertirse en el más joven campeón del mundo de 250cc (tenía 19 años y 18 días) y en el más joven bicampeón del mundo de dos cilindradas distintas. El final de aquel Mundial no pudo ser más brillante, ya que se impuso en el último gran premio de la temporada, el de la Comunidad Valenciana, para sumar un total de 317 puntos, habiendo subido trece veces al podio (en siete grandes premios fue primero; en cinco, segundo; y en una, tercero).

En 2005, revalidó su título universal de 250cc. Lo consiguió, a falta de dos carreras, de nuevo en Phillip Island, después de haber logrado, hasta ese momento, siete triunfos. Cerró aquel Mundial con victoria en el Gran Premio de la Comunidad Valenciana, disputado en el circuito Ricardo Tormo de Cheste.

En 2006 (siempre con Honda), dio el salto a MotoGp; en el año de su debut en la categoría reina del Mundial, ganó los grandes premios de China y Gran Gran Bretaña, y fue quinto en la clasificación final. Al concluir el Campeonato, su palmarés presumía de 25 triunfos en grandes premios (ocho en 125cc, quince en 250cc y los dos citados en MotoGp). Ese año, le fue concedida en su país la medalla de oro de la Real Orden del Mérito Deportivo.