Antes de participar como piloto regular, Aoyama demostró sus grandes cualidades con destacadas actuaciones como Wild Card, con un segundo puesto en Suzuka en 2003 y una quinta posición en Motegi en el GP del Pacífico.

En 2010 dio el salto al Mundial de MotoGP, pilotando una Honda RC212V del equipo Paddock Grand Prix.

Durante el Warm-Up del GP de Silverstone sufrió una dura caída que le impidió disputar los siguientes cinco grandes premios por lesión.

Finalizó la temporada 18.º con 61.5 puntos, sin llegar a obtener ningún resultado destacable, mientras su compañero Jonathan Rea, más experimentado en Superbikes, consigue una victoria y varios podios.

En 2013 regresa al Mundial de MotoGP firmando como piloto titular con Avintia-Blusens, formando equipo con el español Héctor Barberá.

Igualmente, participa en el GP de Alemania sustituyendo a Karel Abraham en el equipo AB Motoracing, pero tampoco consigue finalizar la carrera.

En la 2017 participa en el Gran Premio de Japón sustituyendo a Jack Miller en el equipo EG 0,0 Marc VDS Racing Team.