In der Saison 2009 wurde er Weltmeister in der 250-cm³-Klasse und damit letzter Viertelliter-Weltmeister der Geschichte. Sein jüngerer Bruder Shūhei Aoyama ist ebenfalls Motorradrennfahrer.
Hiroshi Aoyama saß das erste Mal mit fünf Jahren auf einem Motorrad. Damals begleitete ihn sein Vater auf eine Pocketbike Rennstrecke. Seit diesem Zeitpunkt sind Motorräder der Mittelpunkt seines Lebens.
Mit 14 Jahren wurde er ein Teil von Okegawa Zyuku, wo er sehr viel über Motorräder lernte und viele Erfahrungen mit Mini-Bikes, Motocross und ähnlichem machen durfte. Als 18-Jähriger trat er dem Team Harc-Pro bei und nahm an der japanischen 250-cm³-Meisterschaft teil. Seit Debüt in der Motorrad-Weltmeisterschaft gab er mit einem achten Platz beim Pazifik-Grand-PrixMotorrad-Weltmeisterschaft 2000 auf einer Honda.
Von 2001 bis 2003 startete er als Wildcard-Pilot jeweils bei den beiden in Japan ausgetragenen WM-Läufen. 2003 gelang ihm der zweite Rang beim Grand Prix von Japan in Suzuka und der Titelgewinn in der 250-cm³-Klasse des japanischen Meisterschaft. Dieser erste Erfolg ermöglichte ihm auch den Eintritt in das internationale Geschehen und somit startete er in den Saisons 2004 und 2005 als erster "Scholarship Rider" als permanenter Fahrer für das Telefónica Movistar Honda 250-Team an der Seite von dem SpanierDani Pedrosa, der in diesen beiden Jahren den WM-Titel gewinnen konnte. Im ersten Jahr gelangen ihm zwei dritte Plätze und der sechste Rang im Gesamtklassement. 2005 gewann Hiroshi Aoyama beim Großen Preis von Japan sein erstes Rennen, mit insgesamt drei Podiumsplatzierungen wurde er in diesem Jahr Vierter in der WM.
Zur Saison 2006 wechselte Aoyama innerhalb der 250-cm³-Klasse zum österreichischenRed-Bull-KTM-Werksteam. Er gewann die Großen Preise in der Türkei und in Japan, feierte insgesamt sieben Podiumsplatzierungen und wiederholte den vierten Gesamtrang des Vorjahres. 2007 ging der Japaner weiterhin auf KTM an den Start. Nach einem mittelmäßigen Saisonstart gelang ihm beim Großen Preis von Deutschland am Sachsenring sein erster Saisonsieg. Später folgte noch ein weiterer Sieg beim Rennen in Malaysia. Mit 160 Zählern belegte Hiroshi Aoyama in dieser Saison den sechsten WM-Gesamtrang. Auch 2008 startete Hiroshi Aoyama in der 250er-Klasse für KTM und wurde mit zwei zweiten Plätzen als besten Resultaten Siebenter in der Weltmeisterschaft.
Nach dem Rückzug von KTM aus der Viertelliter-Weltmeisterschaft zum Ende der Saison 2008 wechselte Aoyama 2009 in das italienischeScot-Honda-Team, wo er an der Seite des Italieners Raffaele De Rosa startete. Der Japaner beendete alle 17 Saisonrennen unter den besten acht, feierte vier Siege sowie insgesamt sieben Podestplätze. Damit konnte er beim letzten Saisonlauf, dem Großen Preis von Valencia, mit 22 Zähler Vorsprung auf den spanischenAprilia-Piloten Héctor Barberá den Gewinn des 250-cm³-WM-Titels feiern. Hiroshi Aoyama wurde damit letzter Weltmeister in der Geschichte der seit 1949 Viertelliter-Klasse, da diese ab 2010 durch die Moto2-Kategorie abgelöst wurde.
