Skrifaðu framhald fyrir þessa málsgrein - Árið 2016 hóf Bagnaia tímabilið með stigamóti í Losail og öðru stigamóti í Jerez, endaði í 3. sæti í báðum tilvikum. Í heimahlaupi sínu í Ítalíu tryggði Bagnaia sér annað 3. sæti sem var 0.006 sekúndur á undan Niccolò Antonelli. Eftir hrun í Barcelona vann Bagnaia sinn fyrsta Grand Prix sigur á Assen.
Hann vann í 59. keppni sinni í Moto3 og var fyrsta sigur Mahindru. Hann var nú kominn á fjögur pall í fyrstu átta keppnishlaupum tímabilsins og fann sig í baráttu fyrir titlinum. Eftir tvö venjuleg keppni og hrun í Brno, fékk Bagnaia sína fyrstu póll stöðu í rigningnum Silverstone og endaði í öðru sæti á bak við Brad Binder í spennandi keppni. Bagnaia vann sitt annað hlaup á tímabilinu í Sepang, og vann hlaupið þægilega með miklum mun eftir að Brad Binder, Joan Mir og Lorenzo Dalla Porta hrundu allir út í sama horninu í upphafi hlaupsins, sem var fyllt með mörgum hrun. Hann endaði tímabilið með 145 stig og varð fjórði í Moto3 Championship með samtals 2 sigra og 6 pallborð. Bagnaia hafði tækifæri til að ljúka í 2. sæti í heimsmeistaramótinu á bak við Brad Binder en var því miður tekinn út í bæði Phillip Island og Valencia af Gabriel Rodrigo. Rodrigo varđ Fabio Di Giannantonio í Ástralíu sem fķr og safnaði Bagnaia međ honum. Í Valencia gerði Rodrigo hraun á fyrsta hringnum sem nálgaðist síðasta beygjuna, aftur fór Bagnaia niður óhjákvæmilega.