500 cm³/MotoGP W sezonie 1990 awansował do najwyższej klasy 500 cm³. Startując na motocyklu Cagiva, sześciokrotnie dojechał w pierwszej dziesiątce, na najlepszym uzyskując piątą lokatę (podczas GP Belgii). Rywalizację zakończył na 12. pozycji.
W roku 1991 wystąpił w zaledwie pięciu wyścigach. W każdym dojechał jednak w pierwszej dziesiątce. Najlepiej spisał się podczas GP Włoch, w którym zajął czwarte miejsce. Ostatecznie został sklasyfikowany na 13. lokacie.
Sezon 1992 był ostatnim dla Barrosa na motocyklu Cagiva. Podczas GP Holandii Brazylijczyk po raz pierwszy w karierze stanął na podium, zajmując trzecie miejsce. Nie był to jednak udany dla niego sezon, który ostatecznie ponownie ukończył na 13. miejscu, z dorobkiem mniejszym, niż rok wcześniej.
W sezonie 1993 Barros podpisał kontrakt z ekipą Lucky Strike-Suzuki. Był to przełomowy sezon dla Barrosa, który w ostatnim wyścigu (o GP FIM w Hiszpanii) sięgnął po pierwsze zwycięstwo, pozostawiając w przegranym polu swojego zespołowego partnera Kevina Schwantza. W przeciągu całego roku Brazylijczyk pozostał jednak wyraźnie w cieniu Amerykanina, który został mistrzem świata. Barros z kolei zmagania zakończył na 6. pozycji.