Després de no poder marcar a Qatar on es va retirar de la cursa a causa d'un dany a l'ala davantera, Bagnaia va prendre els seus primers dos punts en el Campionat del Món de MotoGP amb un 14è lloc a l'Argentina, havent començat la cursa des del 17è de la parrilla. Bagnaia va acabar novè a Austin aconseguint posicions després que Marc Márquez i Cal Crutchlow es van desplomar de la cursa en accidents separats. Tant Maverick Vinales com Joan Mir van saltar a l'inici i posteriorment van ser penalitzats amb passes de penalització. Abans de la quarta cursa a Jerez, Bagnaia va tenir tres podiums consecutius, a partir de 2016. Es va classificar 10è en la parrilla però va caure a la sisena volta, lluitant amb Pol Espargaro. A Le Mans on Bagnaia va guanyar la cursa de Moto2
El 2018 va caure en la sisena volta després d'un incident amb Maverick Vinales. En la següent cursa al Mugello, el seu Gran Premi Bagnaia va tenir un bon començament de cap de setmana. Va encabeçar el segon temps dels entrenaments lliures en el seu camí per qualificar-se com a 8è en la parrilla. No obstant això, va caure a l'última curva en la 11a volta en setè lloc. Va ser la primera vegada en la carrera de Bagnaia que no havia aconseguit acabar tres curses seguides, totes elles amb accidents. A Àustria, Bagnaia va tenir el seu millor cap de setmana de curses des de la seva època a la Moto2, tant en termes de qualificació com de curses. Va aconseguir avançar a la Q2 al costat de Cal Crutchlow, on posteriorment es va classificar cinquè a la parrilla. Més tard va acabar la cursa en setè lloc. A Phillip Island Bagnaia va acabar la cursa en 4è lloc, perdent el podi amb només 0,055 segons darrere del seu company d'equip Jack Miller.