Morini kemudian memberinya 250cc untuk debut internasional di Monza pada akhir 1963.
Agostini bergabung penuh dengan Tim Morini 1964.
Setahun kemudian, Agostini mendapat kontrak dari MV Agusta dan menjadi kawan satu tim Mike Hailwood, pembalap legendaris dengan tiga gelar juara.
Kelas 350cc dan 500cc
Pada 1965, Agostini menjadi pembalap di kelas 350cc dengan mesin tiga silidernya MV Agusta.
Secara spektakuler, Agostini berhasil memenangkan GP Nurbruging di Jerman.
Agostini menyelesaikan musim di peringkat kedua.
Mike Hailwood keluar dari MV Agusta yang membuat Agostini menjadi pembalap utama tim tersebut.
Agostini dua kali menjadi runner-up Hailwood di kelas 350cc pada 1966 dan 1967.
Agostini berhasil membalas Hailwood di kelas 500cc pada 1966 dan 1967.
Kepergian Honda pada 1967, membuat Agostini dan MV Agusta mendominasi kejuaraan.
Agostini memperoleh gelar dobel di 350cc dan 500cc pada 1968-1972.
Pada 1973, Agostini menjadi juara 350cc, kemudian pada 1974 juga memenangkan 350cc bersama Yamaha.
Agostini pindah ke Yamaha pada 1974.
Setahun kemudian, Agostini berhasil menjadi juara 500cc menggunakan mesin dua tak.
Ini adalah pertama kalinya mesin dua tak memenangkan kelas tertinggi GP.
Menjajal F1 dan Formula 2
Agostini hanya kompetitif sampai 1976 dan memutuskan pensiun dari dunia dunia balap motor pada 1977.
Sebelumnya, pada 1974, Agiostini sempat mengikuti Daytona 200 dan memenangkannya.
Agostini mencoba menjadi pembalap di F1 pada 1979, mengikuti jejak John Surtees.