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 si ritrova a circa metà stagione con 91 punti di ritardo dal leader della classifica. Cambia passo ottenendo quattro vittorie consecutive e sette totali, vincendo il Mondiale. Nel 2023, da campione del mondo in carica, fa il bis. Nel 2024 è autore di un'altra stagione straordinaria fatta di 11 vittorie, ma non basta. Commette anche alcuni errori e il titolo va a Jorge Martin. Nel 2025 divide il box del team ufficiale Ducati con Marc Marquez: vince due volte, ma incassa una lunga serie di ritiri e gare sottotono. Nel 2026 tornerà ai vertici?