Escriu una continuació per a aquest paràgraf - El 2016, Bagnaia va començar la temporada amb un podi a Losail i un altre podi a Jerez, acabant 3r en ambdues ocasions. A la seva cursa a casa a Itàlia, Bagnaia es va assegurar una altra tercera posició superant a Niccolò Antonelli per 0,006 segons. Seguit d'un accident a Barcelona, Bagnaia va aconseguir la seva primera victòria en el Gran Premi a l'històric Assen.
circuit en la seva 59a cursa de Moto3 i va ser la primera victòria per a Mahindra també. Ara tenia 4 podis en les primeres 8 curses de la temporada i es va trobar lluitant pel títol. Després de dues curses mitjanes i un accident a Brno, Bagnaia va aconseguir la seva primera pole position a Silverstone afectada per la pluja i va acabar segon darrere de Brad Binder en una cursa emocionant. Bagnaia va guanyar la seva segona cursa de la temporada a Sepang, guanyant la cursa còmodament amb una gran diferència després que Brad Binder, Joan Mir i Lorenzo Dalla Porta es van estrellar en la mateixa cantonada durant l'inici de la cursa, que estava plena de múltiples accidents. Va acabar la temporada amb 145 punts per ocupar el quart lloc en el Campionat de Moto3 amb un total de 2 victòries i 6 podis. Bagnaia va tenir l'oportunitat de acabar segon en el Campionat del Món darrere de Brad Binder, però va ser desafortunadament eliminat a Phillip Island i Valencia per Gabriel Rodrigo. Rodrigo va emportar Fabio Di Giannantonio a Austràlia que va baixar i va recollir Bagnaia amb ell. A València, Rodrigo va fer un accident en la primera volta aproximant-se a l'última curva, de nou Bagnaia va caure inevitablement.