Pencapaian terbaiknya di Moto3 terjadi pada musim 2016. Saat itu dia membela Pull & Bear Aspar Mahindra Team dan berhasil bertengger di posisi keempat di akhir musim dengan total 145 poin. Sepanjang 2013 sampai 2016 di Moto3, Pecco Bagnaia meraih tujuh poium dua di antaranya menang, di mana salah satunya di GP Assen, Belanda 2016. Pada 2017 dia naik kelas ke Moto2. Di kelas ini keahlian Pecco semakin terasah, pengalaman dan umurnya yang mulai remaja membuatnya tampil agresif selama balapan.
Di musim pertama Moto2, Pecco terjun bersama Sky Racing Team VR46 menggunakan sasis Kalex. Di akhir musim dia berhasil bertengger di posisi kelima.
Di musim kedua, pebalap berambut ikal tersebut membawa harum nama tim balap Rossi dengan menjadi Juara Dunia Moto2 2018. Dia menang delapan kali dari total 18 kali balapan musim itu. Tak pakai lama setelah juara dunia, talenta Pecco langsung membuatnya dilirik oleh Ducati ke ajang MotoGP. Sebagai pebalap asal Italia, dia masuk ke tim satelit Pramac Ducati pada 2019 menggunakan nomor #63.
