Lahir di Italia, Francesco Bagnaia ambil bagian dalam CEV Championship di Spanyol pada 2010, yang mana ia tempati peringkat ketiga secara keseluruhan. Sang pembalap dipertahankan tim Monlau Competicion untuk 2012, dan berhasil raih kemenangan. Ia lalu melangkahkan kakinya ke Kejuaraan Dunia sebagai rekan setim Romano Fenati di Team Italia FMI musim 2013. Kemudian pada 2014, Bagnaia berganti skuad balap dan motor, dengan memperkuat Sky Racing Team VR46 serta mengendarai KTM. Sementara untuk 2015, ia mengarungi tantangan baru bersama Aspar Team Mahindra. Mengakhiri tahun sebagai pembalap Mahindra teratas, Bagnaia juga sering terlibat dalam perebutan podium. Musim 2016 tak hanya menandai Pecco yang tetap bertahan dengan tim. Tetapi juga keberhasilannya cetak kemenangan perdana di Assen, dilanjutkan podium tertinggi kedua di Sepang. Atas prestasi apiknya tersebut, Bagnaia diganjar hadiah test ride dengan motor MotoGP™ di Valencia. Bagnaia naik kelas ke Moto2™ pada 2017 bersama Sky Racing Team VR46. Empat podium berhasil dikemasnya, membuat sang pembalap dinobatkan sebagai Rookie of The Year. Musim 2018, ia menjadi penantang gelar. Konsistensi dan total delapan kemenangan sukses mengantarkannya ke tangga juara, saat ia mengunci titel Moto2™ di Sepang.

Debutnya dalam MotoGP™ dimulai pada 2019. Membela skuad Pramac Racing, Bagnaia menjalani tahun debutan yang sulit. Namun, hasil finis P4 di GP Australia menunjukkan bahwa ia merupakan pembalap yang memiliki prospek menjanjikan. Musim 2020 terbukti menjadi tahun penuh warna-warni baginya. Berlomba menggunakan Desmosedici GP20, Bagnaia berhasil mengklaim P2 saat balapan GP San Marino. Akan tetapi, harapannya untuk berdiri di podium tertinggi sirna usai terjatuh di GP Emilia Romagna. Harapan baru datang untuk Bagnaia pada 2021. Bersama tim pabrikan Ducati, ia jadi penantang gelar. Ini menyusul tiga podium dalam empat balapan pertama. Kemenangan perdana lalu digenggamnya, ketika menaklukkan Marc Marquez lewat duel sengit di Aragon. Ia kemudian menang lagi di Misano. Namun, saat MotoGP™ menyambangi sirkuit yang sama, Bagnaia tergelincir. Pun begitu, Pecco menambah kemenangan di Algarve dan Valencia.

Musim 2022 yang dijalani Bagnaia dimulai dengan lambat. Kecelakaan di Sachsenring bahkan membuatnya tertinggal jauh 91 poin dari pimpinan klasemen saat itu, yakni Fabio Quartararo. Akan tetapi, Pecco mampu mengubah keadaan. Ia bangkit dan catatkan performa gemilang sepanjang paruh kedua musim. Empat kemenangan beruntun diklaimnya, menambah total podium tertingginya menjadi tujuh. Bagnaia sukses melakukan apa yang sebelumnya tampak mustahil, dengan merebut mahkota di Valencia. Menggunakan nomor #1 pada 2023, Bagnaia berhasil menangkis Jorge Martin di akhir musim. Ia pun jadi pembalap pertama yang berhasil mempertahankan pelat nomor #1 sejak Mick Doohan, dan bergabung dengan Valentino Rossi dan Marc Marquez sebagai pembalap dalam era MotoGP™ yang sukses merengkuh gelar dua musim beruntun. Bertekad untuk melanjutkan dominasinya, Pecco tampil lebih baik lagi pada 2024. Menorehkan total 11 kemenangan. Namun, kurangnya konsistensi dan beberapa kali gagal finis membuatnya harus merelakan titel direbut Jorge Martin. Pada 2025, Pecco Bagnaia diprediksi akan mencoba merebut kembali gelar juara.