Barros nyolcévesen kezdett motorozni, minimotorokkal. Első évében rögtön meg is nyert egy brazil minimotor-bajnokságot. A következő két évben moped-bajnok lett. 1981-ben az 50-es, 1985-ben a 250-es kategóriában szerzett brazil bajnoki címet. 1986-ban bemutatkozhatott a gyorsaságimotoros-világbajnokságban is, az akkor még létező 80 köbcentiméteres géposztályban. Mivel hazudott koráról, így már a szezon első versenyén, Spanyolországban versenyzett. Első évében a tizenhatodik helyen végzett 6 pontot szerezve. 1987-ben ugyancsak ebben a kategóriában szerepelt, ezúttal 17. lett 7 ponttal.
250 cm³
1988-ban már a negyedliteresek között indult, igaz, csak egy versenyen, a Brazil Nagydíjon. Ezen nem ért célba. 1989-ben maradt a 250-eseknél, azonban ekkor már teljes szezonra szóló szerződést kapott, ismét a Venemotos-Yamaha csapatától. Ebben a szezonban már többször sikerült pontot szereznie, legjobb eredménye egy kilencedik hely volt. Összességében 30 pontot szerzett, ez a tizennyolcadik helyhez volt elegendő.
500 cm³/MotoGP
Az akkor még 500 köbcentiméteres motorokkal rendezett királykategóriához 1990-ben csatlakozott, húsz évével az addigi legfiatalabb versenyző volt ebben a géposztályban. Első szezonját a tizenkettedik helyen zárta 57 ponttal, legjobb eredménye egy ötödik hely volt Belgiumban. 1991-ben is a Cagiva csapatánál versenyzett, azonban ekkor csak hat versenyen indult. Ezeken majdnem annyi pontot szerzett, mint előző, teljes szezonjában, 46 pontjával csak egy hellyel végzett rosszabb helyen, mint újonc szezonjában. 1992-ben a Marlboro-Cagivánál versenyzett. Ebben a szezonban megszerezte pályafutása első dobogós helyezését a Holland TT-n.
Az áttörést 1993 hozta meg számára, amikor a Suzuki gyári csapatához szerződött. A szezon utolsó versenyén megszerezte első királykategóriás, egyben pályafutása első győzelmét is. 1994-ben, bár győzelmet nem aratott, azért egy második helyet sikerült szereznie, így Suzukis évei alatt egy hatodik és egy nyolcadik helyet sikerült szereznie.
1995-ben a Kanemoto-Honda csapatához szerződött. Ebben az évben egyszer sem sikerült dobogóra állnia, azonban így is felülmúlta előző évi teljesítményét, hetedik lett. 1996-ot a Pileri-Honda csapatánál töltötte, ez volt pályafutása addigi legsikeresebb éve, negyedik lett. Az első két versenyen egyaránt második helyen végzett, valamint még egyszer felállhatott a dobogó harmadik fokára, ezen kívül, egy kieséstől eltekintve mindig a legjobb 10-ben végzett.
1997-ben és 1998-ban a Gresini Racing csapatánál versenyzett. A két év alatt sok kiesés hátráltatta szereplését, de a dobogóra néhányszor azért felállhatott. Első Gresinis évében nyolcadik, 1998-ban ötödik lett.
1999-ben a Pons-Honda csapatához szerződött, ezek voltak pályafutása legsikeresebb évei. Bár első évében ismét sokszor kiesett, és csak kilencedik lett, 2000-ben, 2001-ben és 2002-ben egyaránt negyedik lett, mindhárom évben sokáig reális esélye volt a világbajnoki cím megszerzésére is, 2000-ben például kétszer is a pole-ból indulva esett ki, valamint ért célba a tizennegyedik helyen.
2003 ismét egy kevésbé sikeres éve volt, ugyanis a Tech 3Yamahánál ismét nem tudott futamot nyerni, és csak a kilencedik helyen végzett. 2004-ben a gyári Hondához szerződött, ekkor megismételte korábbi legjobbját, negyedik lett, igaz, ezúttal futamgyőzelem nélkül.
2005-ben visszatért a Pons-Hondához, ebben az évben aratta pályafutása utolsó győzelmét. Azonban a győzelem ellenére csak nyolcadik lett összesítésben. Egy év Superbike-kitérő után visszatért a MotoGP-be, a Pramac-Ducati színeiben. Legjobb eredménye egy harmadik hely volt, végül 115 pontjával tizedik lett. A szezont követően úgy döntött, visszavonul.
Superbike-világbajnokság
Pályafutása során mindössze egyetlen évben, 2006-ban nem a MotoGP-ben versenyzett, ekkor a Superbike-világbajnokságban szerepelt. Mint később kiderült, Barros 100 000 dollárt is fizetett a szerződés érdekében.[1] Az összes versenyen, amelyen elindult, pontszerző helyen ért célba, többször dobogóra is állhatott, az első imolai versenyen pedig a győzelmet is sikerült megszereznie. A szezon végén a hatodik helyen zárt 246 ponttal.