Rossi pun kembali ke Yamaha pada 2013, tetapi tren positifnya tidak lagi dapat diulangi. Rossi bahkan turun kasta dengan membela tim satelit Yamaha, Petronas Yamaha SRT, di MotoGP 2021.
Pergantian tim ini tidak membantu Rossi. Ia pun terdampar di posisi ke-19 klasemen sementara musim ini dengan koleksi 17 poin. Hasil buruk di MotoGP 2021 yang meyakinkan Rossi untuk pensiun pada akhir musim ini. (TIA)