La temporada de 2001 del Campionat del món de motociclisme fou la 53a edició d'aquest campionat, organitzat per la FIM. Aquella temporada va ser la darrera de l'era dels 500cc als Grans Premis, ja que el 2002, la categoria reina passà a anomenar-se MotoGP i va ser dominada per motos de quatre temps i 990 cc. Al mateix temps, la temporada del 2001 va ser la del començament d'una altra era, la del domini de Valentino Rossi a la categoria reina.
Després del seu any d'aprenentatge, el 2001 Rossi va guanyar 11 curses, superant amb escreix el seu competidor més proper, Max Biaggi. Tots dos van començar la temporada amb un incident controvertit a Suzuka, on semblava que Biaggi havia intentat tirar Rossi a terra mentre anaven a 240 km/h i aquest va respondre dues voltes més tard amb un avançament agressiu i el dit del mig estès. Rossi guanyà aquella cursa i es va proclamar campió a dues rondes del final del campionat. Va ser l'última temporada en què un pilot d'un equip independent guanyava el títol a la categoria reina fins al 2024, en què el va guanyar Jorge Martín amb l'equip Pramac Racing. També va ser l'última temporada (a data de 2024) en què un sol constructor, Honda, guanyava el campionat de constructors en totes tres categories.
Als 250cc, domini japonès i victòria de Daijiro Kato. Al Gran Premi del Japó, Katja Poensgen va esdevenir la primera dona a classificar-se per a una cursa de 250cc.[2] Als 125cc el títol fou per a Manuel Poggiali, el qual donava a Gilera el primer títol des de la dècada del 1950. Cal destacar també el bon paper de Toni Elias, amb dues victòries, i del debutant Dani Pedrosa. El fabricant català Derbi es va quedar a tocar del campionat de pilots per segon any consecutiu amb el seu pilot japonès Youichi Ui, que tornà a ser subcampió.