Après plusieurs succès en Minimoto, MiniGP et PreGP, Francesco Bagnaia rejoint Monlau Competición et finit troisième du CEV en 2011. Ce dernier poursuit une seconde année avec la même structure, avant d’être recruté par le Team Italia FMI en vue de 2013. L’Italien connaît des débuts compliqués en Moto3™. Ce dernier ne marque aucun point, mais décroche un guidon chez Sky Racing Team VR46. En 2015, le transalpin change une fois de plus de moto ; délaissant ainsi sa KTM pour une Mahindra du team Aspar. Francesco Bagnaia inscrit son tout premier podium au Mans et prolonge pour 2016, saison où il goûte aux joies de la victoire à deux reprises, à Assen et à Sepang. Ces résultats lui permettent ainsi de participer au Test MotoGP™ de Valence. Ceci étant, c’est sur une Kalex du team Sky Racing Team VR46, nouvellement engagé en Moto2™, qu’il évoluera en 2017. Auteur de quatre Tops 3, le Turinois termine cette édition au cinquième rang, devant tous les autres rookies.
2018 sera finalement l’année de la consécration. Avec 12 podiums dont huit succès, il est sacré dès la Malaisie. En 2019, il grimpe alors en MotoGP™, ceci étant l’adaptation y sera difficile. Malgré cette quatrième place à Phillip Island, le pilote du team Pramac Racing accuse en effet six abandons. À compter de 2020, il hérite ensuite d’une GP20, avec laquelle il obtiendra une deuxième position à Misano et quelques belles prestations. Hélas une fracture du tibia droit lui fera aussi manquer trois manches. Promu au sein du team officiel, il sera somme toute le principal adversaire de Fabio Quartararo pour le titre en 2021, puisqu’il se hissera à neuf reprises parmi les trois premiers, avec quatre triomphes à la clé. Ses ultimes espoirs s’envolaient plus exactement dans une chute survenue en tête de course à Misano. Mais le n°63 prendra sa revanche ! Relégué jusqu'à 91 points du leader après une entame compliquée, le Turinois va effectuer une folle remontée avec sept victoires et sera couronné lors de la finale. L'année suivante, Pecco Bagnaia arbore le n°1 et défend sa couronne avec succès puisqu'il décroche un deuxième titre consécutif à Valence, devenant le troisième homme de l'ère MotoGP™ à réaliser cette performance. Bien déterminé à poursuivre sa domination, le transalpin fait encore mieux en 2025 avec notamment un total ahurissant de 11 victoires le dimanche et un record personnel de points. Cependant, le manque de régularité et les nombreuses chutes du Champion du Monde lui font perdre le titre au profit de Jorge Martín. En 2025, Pecco Bagnaia tentera de récupérer sa couronne face notamment à Marc Márquez, à qui il sera associé dans le team d'usine Ducati.