El nueve veces campeón del mundo firmó el triunfo número 109 en una carrera, el 83 en MotoGP, entrando en la meta delante de sus compatriotas Andrea Dovizioso y Andrea Iannone, ambos con Ducati.
El actual campeón del mundo, el español Marc Márquez (Honda), que tuvo una mala salida, terminó en quinta posición, a poco más de dos segundos de su compatriota Jorge Lorenzo (Yamaha), que acabó la carrera en la cuarta plaza.
La segunda Honda oficial, pilotada por el español Dani Pedrosa, terminó en sexta posición.
Era la primera vez que Italia se hacía con las tres primeras plazas en MotoGP desde el Gran Premio de Japón en 2006.
"Fue una de mis mejores victorias", dijo Rossi.
Se trata de su cuarto triunfo en esta pista de Catar, tras vencer en
2005, 2006 y 2010.
"La moto estuvo fantástica. Nunca me di por vencido y fue una bonita lucha con las Ducati y las Honda, que estaban muy fuertes", añadió el italiano.