En 2016, Bagnaia comezou a tempada cun podio en Losail e outro podio en Jerez, terminando terceiro en ambas as ocasións. Na súa carreira de casa en Italia, Bagnaia asegurou outra terceira posición superando a Niccolò Antonelli por 0,006 segundos. Seguido por un accidente en Barcelona, Bagnaia asegurou a súa primeira vitoria no Gran Premio no histórico Assen
circuíto na súa 59a carreira de Moto3 e foi a primeira vitoria para Mahindra tamén. Agora tiña 4 podios nas primeiras 8 carreiras da tempada e atopou a si mesmo loitando polo título. Despois de dúas carreiras medias e unha caída en Brno, Bagnaia conseguiu a súa primeira pole position en Silverstone afectada pola choiva e terminou segundo detrás de Brad Binder nunha emocionante carreira. Bagnaia gañou a súa segunda carreira da tempada en Sepang, gañando a carreira cómodamente cunha gran diferenza despois de que Brad Binder, Joan Mir e Lorenzo Dalla Porta caesen na mesma curva durante o comezo da carreira, que estaba chea de múltiples choques. Finalizou a tempada con 145 puntos para colocarse no 4o lugar no Campionato de Moto3 cun total de 2 vitorias e 6 podios. Bagnaia tivo a oportunidade de terminar segundo no Campionato do Mundo por detrás de Brad Binder, pero por desgraza foi eliminado en Phillip Island e Valencia por Gabriel Rodrigo. Rodrigo expulsou a Fabio Di Giannantonio en Australia, que baixou e colleu a Bagnaia con el. En Valencia, Rodrigo fixo un choque de alta na primeira volta que se aproximaba á última curva, de novo Bagnaia caeu inevitablemente.