In 2015 stapte Bagnaia over naar een Mahindra binnen de Moto3-klasse en behaalde in Frankrijk zijn eerste podiumplaats. Mede hierdoor werd hij veertiende in de stand met 76 punten. In 2016 behaalde hij podiumplaatsen in Qatar, Spanje en Italië alvorens tijdens de TT van Assen met een minieme voorsprong zijn eerste Grand Prix te winnen.