Dopo i primi successi in Minimoto e con la MiniGP, partecipa al Campionato Mediterraneo 125cc PreGP. Il team Monlau Competició scommette su di lui per la stagione 2012 del CEV e Pecco dimostra di essere un ottimo ingaggio vincendo la gara al Montmelo. Nel 2013 approda in Moto3™ condividendo il box con Romano Fenati nel Team Italia FMI ma la stagione è complicata. Nel 2014, in sella alla KTM dello SKY Racing Team VR46, entra nella top 10 in diverse occasioni ma è nel 2015 che consolida la sua crescita. La Mahindra della struttura Aspar è una grande scuola e Bagnaia sfiora ripetutamente il podio. La stagione successiva si piazza tra i primi in sei GP fino a conquistare la prima vittoria ad Assen, risultato bissato a Sepang ed inedito per la moto italo-indiana. Ncel 2017 torna a vestire i colori dello SKY Racing Team VR46 ma questa volta lo fa in Moto2™. A fine stagione è il miglior esordiente della categoria con quattro podi all’attivo.
Nessun cambio per il 2018 e la certezza di essere l’uomo del momento. Grazie ad otto vittorie e a quattro podi è campione del mondo Moto2™ e compie il passaggio in MotoGP™ dove ad aspettarlo c’è la DesmosediciGP del team Pramac Racing. La massima categoria risulta essere più complicata del previsto per il piemontese che però non si arrende e continua a lavorare. L'obiettivo della top 10 nel 2020 è più volte centrato e Pecco dimostra anche di poter vincere con prestazioni cristalline e una piazza d'onore. Tutto questo gli varrà la chiamata del Ducati Team nel 2021. ‘Pecco’ è autore di una stagione da sogno: si laurea vicecampione del mondo regalando spettacolo insieme al neo iridato Fabio Quartararo nell’arco dell’intera annata che lo vede anche conquistare il titolo Costruttori insieme a Ducati e al suo compagno di box Jack Miller. Per Bagnaia il 2021 è ricco di soddisfazioni dal momento che vince quattro gare e ottiene altri cinque podi.
Nel 2022 dopo la caduta al Sachsenring arriva ad avere 91 punti di svantaggio dal leader della classifica ma poi si rende protagonista di una grandissima seconda metà di stagione con quattro vittorie consecutive e sette totali. Risultati che a Valencia gli permettono di vincere il titolo e presentarsi in pista, nel 2023, da campione del mondo in carica con i colori ufficiali di Borgo Panigale. Con il numero 1 si conferma in vetta al mondo nel gran finale di stagione a Valencia e conquista il suo secondo titolo di fila in top class. È il terzo pilota a farcela nella classe regina. Determinato a confermarsi campione del mondo, nel 2024 conquista 11 vittorie anche se paga errori pesanti, con il titolo iridato che va a Jorge Martin. Nel 2025 Pecco Bagnaia proverà a riconquistare il numero 1: dividerà il box con Marc Marquez.