Kirjoita jatko-osa tähän kappaleeseen - Bagnaia aloitti kauden 2016 Losailissa ja Jerezissä saadessaan toiset podiumit, kun hän pääsi molemmissa tilaisuuksissa kolmanneksi. Kotirennollaan Italiassa Bagnaia varmisti kolmannen sijan Niccolò Antonellille 0,006 sekuntia. Bagnaia voitti ensimmäisen Grand Prix -kisansa historiallisella Assenilla.
Se oli Mahindran ensimmäinen voitto. Hänellä oli nyt neljä palkintopistettä kauden kahdeksassa ensimmäisessä kilpailussa ja hän löysi itsensä taistelemassa mestaruudesta. Kaksi keskimääräistä kisaa ja Brnoon törmäyksen jälkeen Bagnaia sai ensimmäisen paalinsa sateen aiheuttamassa Silverstoneessa ja pääsi toiseksi Brad Binderin jälkeen jännittävässä kisoissa. Bagnaia voitti kauden toisen kisan Sepangissa, voittaen kisan mukavasti suurella erolla sen jälkeen, kun Brad Binder, Joan Mir ja Lorenzo Dalla Porta kaikki putosivat samassa mutkassa kisan alussa, joka oli täynnä useita törmäyksiä. Hän päätti kauden 145 pisteellä ja sijoittui neljänneksi Moto3-mestaruudessa yhteensä 2 voitolla ja 6 pallopistettä. Bagnaia pääsi toiseksi maailmanmestaruudessa Brad Binderin jälkeen, mutta valitettavasti Gabriel Rodrigo poisti hänet Phillip Islandilla ja Valenciassa. Rodrigo työnsi Fabio Di Giannantonion Australiaan, joka meni Bagnaian kanssa. Valenciassa Rodrigo ajoi ensimmäisen kierroksen yläpuolelta ja Bagnaia putosi.