En 2016, Bagnaia comenzó la temporada con un podio en Catar y otro podio en España, terminando tercero en ambas ocasiones. En su carrera de casa en Italia, Bagnaia consiguió otra tercera posición al superar a Niccolò Antonelli por solo 0.006 segundos. Bagnaia consiguió su primera victoria en los Países Bajos al ganar en el histórico trazado de Assen en su quincuagésima novena carrera de Moto3, siendo esta además la primera victoria de Mahindra en el Campeonato Mundial de Motociclismo. Bagnaia consiguió su primera pole position sobre mojado en el Gran Premio de Gran Bretaña y en una gran carrera, terminó segundo detrás de Brad Binder. Bagnaia consiguió su segunda victoria de la temporada en Malasia, en una carrera de supervivencia, ganó la carrera cómodamente al abrir una gran brecha después de que Brad Binder, Joan Mir y Lorenzo Dalla Porta se cayeran en la misma curva durante el comienzo de la carrera, una carrera en la cual terminaron 17 pilotos de los 31 que comenzaron la carrera.