Francesco Bagnaia dio el salto al Campeonato del Mundo de Moto3™ en 2013 en una temporada complicada en la que no consiguió puntuar. En 2014 se convirtió en piloto del equipo SKY Racing VR46 con una KTM y sumó sus primeros puntos como mundialista. 2015 le brindó un nuevo desafío con la formación Mahindra Aspar, donde se hizo con una plaza en el podio de Le Mans. En 2016, al manillar de una Mahindra evolucionada, el italiano hizo historia al conseguir en Assen la primera victoria mundialista para el fabricante indio. 'Pecco' conquistó el TT, repitió en Sepang y cerró el año con un total de 6 podios. En 2017 dio el salto a Moto2™ con el SKY Racing Team VR46, donde fue el mejor debutante de la categoría al acabar 5º con 4 podios.

En 2018, con el mismo equipo, hizo valer la etiqueta de ser uno de los candidatos al título. Fue, sin duda, el año de su confirmación, con 8 victorias y 4 podios más, que le permitieron adjudicarse con solvencia el título mundial. Su gran papel le valió un puesto en la estructura de Pramac Racing en MotoGP™ para 2019, donde formaría equipo con Jack Miller. Tras destacar en los test de pretemporada, tuvo que apretar los dientes en un año complejo que acabó de forma agridulce: con una ilusionante cuarta plaza en Australia y una lesión en Valencia que le impidió participar en los test de noviembre. Se recuperó durante el invierno, aunque le esperaba un año con más sobresaltos. Tras una cruel rotura de motor en Jerez, se fracturaría la tibia en los libres de Brno perdiéndose 3 carreras. Volvería a lo grande con su primer podio en Misano y una semana después, en el mismo escenario, dejaría escapar su primera victoria al irse al suelo cuando lideraba con autoridad. A partir de ahí, su temporada fue de más a menos marcada por los abandonos.

El fabricante italiano confiaría de pleno en su talento una vez más, por lo que en 2021 disfrutaría de su gran oportunidad en el Ducati Lenovo Team junto al propio Miller. Una oportunidad que el joven piloto sabría aprovechar para demostrar que el futuro del motociclismo italiano estaría en buenas manos. Con una segunda mitad de temporada impecable, 6 'poles', 4 victorias y 5 podios más, Bagnaia le pondría las cosas muy difíciles al francés Quartararo, para finalizar la temporada 2021 como subcampeón. Con mucha más experiencia y la ambición intacta, la temporada 2022 del italiano tendría un comienzo discreto y una caída en Sachsenring le dejaría a 91 puntos del liderato, antes de que una racha estelar en la segunda mitad de la campaña, incluyendo 4 victorias consecutivas y 7 en el global del año, le permitiera a Bagnaia hacer lo que antes parecería imposible al conseguir la corona en Valencia. En 2023, 'Pecco' luciría orgulloso el '1' en el carenado para defenderlo con éxito hasta la 'season finale' en Valencia, donde conquistaría su segundo título consecutivo en la élite del motociclismo. El italiano haría historia y se convertiría en el tercer hombre en la era de MotoGP™ capaz de lograr esta hazaña. Decidido a continuar con su dominio, el transalpino lo haría aún mejor en 2024, con un asombroso total de 11 victorias el domingo y un récord personal de puntos. Sin embargo, la falta de regularidad le haría perder el título a favor de Jorge Martín. Para 2025, Pecco Bagnaia intentará recuperar su corona frente a Marc Márquez, con quien formará dupla en la escudería oficial Ducati.