Naik kelas ke GP 250 pada tahun 2000, Melandri berganti tunggangan dari Honda ke Aprilia. Melandri mengunci gelar juara dunia di 2002 yang sekaligus merupakan musim terakhirnya di kelas ini. Pebalap yang mengidolakan tokoh komik Marvel, Spiderman ini oleh Yamaha diplot untuk menggantikan Max Biaggi yang hengkang ke Honda pada 2003.
Musimnya bersama Yamaha adalah musim ketidakberuntungannya. Hanya mengkoleksi 2 podium di tahun 2004, Melandri terlempar dari 10 besar klasemen akhir. Hal itu sebagai akibat dari kerapnya dia gagal menyelesaikan lomba.Â
Selepas kontraknya dengan Yamaha berakhir di tahun 2004, Fausto Gresini merekrutnya untuk mendampingi Sete Gibernau yang juga habis kontrak dengan Suzuki. Gibernau meninggalkan Suzuki dengan membawa serta raksasa telekomunikasi Spanyol yang telah mensponsori Suzuki sejak tahun 2000, Telefonica Movistar.
Di sinilah Melandri menunjukkan tajinya. Mengoleksi 2 kemenangan di penghujung musim, teman baik Valentino Rossi ini akhirnya mengukuhkan diri di posisi ke-2 klasemen akhir. Sementara Gibernau berada di posisi ke-7.
Masih membalap dengan bendera Gresini, musim selanjutnya diakhiri dengan posisi ke-4 (2006) dan ke-5 (2007). Kejayaan pebalap kelahiran Revenna Itali ini mulai memudar saat dia bergabung dengan Ducati, sebagaimana Valentino Rossi yang bergabung dengan pabrikan Itali itu setelahnya.
Hengkang dari MotoGP, Melandri membuka lembaran baru di WorldSBK. Di ajang ini dia membalap bersama Yamaha, BMW, Aprilia dan Ducati dengan pencapaian terbaik peringkat 2 di tahun 2011. Pengguna nomor 33 ini adalah salah satu pebalap yang memiliki pengalaman mengendarai motor dari banyak pabrikan.
