250 cm³ (2005–2007) Po udanym sezonie w najniższej kategorii, Hiszpan awansował do klasy ćwierć-litrówek, w której podpisał kontrakt z japońską ekipą Hondy. Już w piątym podejściu, podczas GP Włoch, Jorge sięgnął po pole position. Dzień później nie był jednak w stanie pokonać swojego rodaka Daniego Pedrosy. W dalszej części sezonu Hiszpan jeszcze trzykrotnie startował z pierwszej pozycji, jednakże ponownie nie udało mu się zwyciężyć. Ostatecznie sześć razy stanął na podium, a w ostatecznej klasyfikacji zajął 5. pozycję.
W roku 2006 Lorenzo przeniósł się do włoskiej stajni Aprilia. Dwuletnia współpraca z Włochami okazała się niezwykle udana, gdyż Hiszpan stał się dominującą postacią w 250 cm³, sięgając dwukrotnie po tytuł mistrzowski. W obu sezonach jego największymi rywalami byli Włoch Andrea Dovizioso oraz reprezentant San Marino, Alex de Angelis. W tym czasie Jorge stanął 23 razy na podium, z czego aż siedemnaście na najwyższym stopniu. Poza tym aż dziewiętnastokrotnie zdobył pole position.