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Para 2002 Derbi se fijó en él y en el mismo día de su 15º cumpleaños se convirtió en el piloto más joven en participar en un Gran Premio de Motociclismo, al participar en el Gran Premio de Jerez del año 2002 en la categoría de 125cc. Esa temporada terminó el 21º en la tabla de pilotos.
En 2003 consiguió su primera victoria en 125cc con Derbi en el Gran Premio de Brasil terminando el 12º en la clasificación.
2004 supuso su consagración en la categoría de 125cc al ganar 3 grandes premios y terminar 4º en la tabla.
En el año 2005, tras correr durante tres temporadas en 125cc, dio el salto a la categoría de 250cc con una Honda RSW250 del equipo Fortuna Honda dirigido por Daniel Amatriain teniendo como compañero a Héctor Barberá, consiguiendo en su temporada de debut en la categoría 6 podios y 4 poles position, con lo que acabó en quinta posición al final de campeonato.
Para 2006 el equipo dirigido por Daniel Amatriain cambió de Honda a Aprilia, con lo que Lorenzo pasó a pilotar la Aprilia RS250 y se convirtió en piloto oficial de Aprilia, consiguiendo su primer título mundial y ganando en 8 carreras.
En 2007 volvió a ganar el campeonato del mundo de 250cc mucho más cómodamente que la temporada anterior al ganar 9 carreras, lo que le brindó la oportunidad de dar el salto a la categoría reina del motociclismo.
Para la temporada 2008 Lorenzo pasó a la categoría reina al firmar con el equipo oficial de Yamaha y fue compañero de equipo del entonces siete veces campeón del mundo Valentino Rossi. Aunque Rossi y Lorenzo llevaron la misma montura, usaron diferente proveedor de neumáticos: Mientras Lorenzo usó Michelin, Rossi calzó Bridgestone, tras el buen rendimiento de los neumáticos nipones en 2007.
En 2009 Jorge Lorenzo y su compañero de equipo, Valentino Rossi, protagonizan una de las carreras más ajustadas de los últimos años, en el gran premio de Cataluña, siendo el ganador Rossi quien adelantó a Lorenzo en la última curva del circuito.2 Tras finalizar la carrera Jorge admitió estar orgulloso ya que perdió con el mejor, pero estando orgulloso de su participación.
En 2010 otra vez Jorge Lorenzo y su compañero de equipo, Valentino Rossi, protagonizan una gran lucha en el gran premio de Japón, peleando codo con codo por el tercer lugar del podio, quedando por delante Rossi con quien protagonizó varios adelantamientos en la última vuelta, demostrando mayor experiencia el piloto trasalpino tras una temporada de resultados irregulares.3
El día 10 de octubre de 2010, en el Gran Premio de Malasia, Jorge Lorenzo se proclamó campeón del mundo de MotoGP terminando la carrera en tercera posición, ganó las siguientes pruebas y se coronó con el récord de puntos de la categoría, un total de 383 puntos.
Es un gran aficionado a las competiciones de coches, en 2010 tomó parte en la Copa de España de Resistencia (CER) a los mandos de un Abarth 500 Asseto Corse, pero en las carreteras, donde hay que ir algo más relajado, el coche de Jorge Lorenzo es un BMW M3.
El BMW M3 es el vehículo que utiliza para desplazarse, una berlina de tinte deportivo. En lo referente al motor del BMW M3 estamos ante un 4,0 litros V8 de 420 CV de potencia. Gracias al sistema Auto Start Stop evita un consumo innecesario de combustible en atascos o por ciudad, al apagar el motor cuando el vehículo se detiene. Tan pronto como el conductor desea continuar conduciendo, el motor se vuelve a activar sin demora.
La función Auto Start Stop se utiliza tanto en los vehículos con transmisión manual de 6 velocidades y con la transmisión de doble embrague M con Drivelogic.
Además el BMW M3, tendrá una serie de mejoras englobadas en un paquete denominado Competition Package y nuevas opciones de individualización para optimizar su rendimiento deportivo.
El Competition Package, está disponible para la gama M3 coupé y M3 sedán, y lo confirman, una suspensión más baja en 10 mm y llantas de aleación ligera de 19″. Además, equipa control electrónico amortiguadores EDC, a la vez que se incluye un modo Sport, que ajusta las funciones de conducción para hacer del vehículo un auténtico bólido.
En cuanto a las opciones de configuración personalizada, se incluye toda una serie de accesorios originales de BMW, tales como el alerón trasero y las aletas de fibra de carbono en el faldón delantero, o el techo de color negro grafito, además de pequeños retoques los faros.
