Parti en pole position après la rétrogradation de l'Espagnol, pénalisé de six places sur la grille pour un incident en qualifications, le Français n'était plus monté sur la boîte depuis le GP d'Espagne début mai.
Le tricolore se crée décidément de bons souvenirs à Sepang, où il a été sacré en Moto2 en 2016 et avait déjà décroché une troisième place en MotoGP l'an dernier.
Ce succès permet à Marquez et à Honda de réussir, après le titre pilotes au Japon il y a quinze jours, le triplé chez les constructeurs et par équipes.
Rossi, pilote le plus récompensé en Malaisie avec six victoires (2001, 2003, 2004, 2006, 2008 et 2010), a pris la tête au départ, avant de commettre une erreur à cinq tours de l'arrivée, sous la pression de Marquez derrière lui.
Dix-huitième et hors des points, l'Italien s'incline dans la lutte pour la place de vice-champion du monde face à son compatriote Andrea Dovizioso (Ducati), 6e de la course, qui pointe à 25 longueurs avec une manche encore à disputer, à Valence le 18 novembre.
Son parcours ce week-end confirme par contre que sa Yamaha progresse, comme l'indiquait le succès en Australie la semaine dernière de son équipier espagnol Maverick Vinales, le premier pour la marque japonaise depuis 25 GP.
Meilleur pilote indépendant
L'Espagnol Alex Rins (Suzuki), qui a pris à Zarco la deuxième place dans le dernier tour, et le Français de Tech3, équipe satellite de Yamaha, sont eux désormais 5e et 6e au classement des pilotes, avec 149 points chacun.
Avec une unité d'avance sur le Britannique Cal Crutchlow (LCR Honda), qui s'est fracturé la cheville à Phillip Island et devrait encore être forfait en Espagne, et cinq sur l'Italien Danilo Petrucci (Ducati Pramac), Zarco a l'avantage pour conserver la distinction de meilleur pilote indépendant acquise l'an dernier.
Les Espagnols Maverick Vinales (Yamaha) et Dani Pedrosa (Honda) ferment le top 5 d'une course dont le départ avait été avancé de deux heures afin de devancer - avec succès - les pluies torrentielles qui ont retardé les qualifications la veille.
Après Marquez en MotoGP, les catégories inférieures ont également désormais leurs champions du monde.
En Moto2, l'Italien Francesco Bagnaia (Kalex), âgé de 21 ans, a été couronné grâce à sa troisième place derrière son rival portugais Miguel Oliveira (KTM). Avec 32 points d'avance au classement des pilotes et une manche encore à disputer, il ne peut plus être rejoint.
Son compatriote et équipier Luca Marini a lui remporté son premier Grand Prix moto.
L'Espagnol Jorge Martin (Honda), 20 ans, s'est lui offert la victoire, sa septième cette saison, et le titre en Moto3. Avec 26 unités de moins à son compteur, son dauphin italien Marco Bezzecchi (KTM), cinquième de la course, ne peut plus le rattraper.
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