500 cm³/MotoGP W sezonie 2001 Japończyk zadebiutował w najwyższej kategorii 500 cm³, podpisując kontrakt z fabrycznym zespołem Hondy. Startując u boku mistrza świata z 1999 roku Alexa Criville'a, Ukawa już w pierwszym wyścigu uzyskał najszybsze okrążenie, natomiast w kolejnej rundzie pierwsze podium. Podczas GP RPA dojechał wówczas na trzecim miejscu. W pozostałej części sezonu ani razu jednak nie udało mu się zmieścić w pierwszej trójce. Podczas kończącego zmagania GP Brazylii, Ukawa sięgnął po pole position. Nie zdołał jednak dojechać do mety. Zdobyte punkty sklasyfikowały go na 10. lokacie.
Drugi rok startów był najlepszym dla Japończyka w karierze. Nowym partnerem Ukawy został aktualny mistrz świata oraz dawny rywal z ćwierćlitrówek Valentino Rossi. W trakcie sezonu dziewięciokrotnie meldował się na podium. Podczas GP RPA pokonał w bezpośrednim pojedynku włoskiego zawodnika. W całym sezonie pozostawał jednak wyraźnie w cieniu Rossiego, który zdominował zmagania. Japończyk w klasyfikacji generalnej zajął 3. miejsce.