In 2016 maakte Di Giannantonio de fulltime overstap naar het wereldkampioenschap Moto3 bij Gresini, waar hij Enea Bastianini als teamgenoot kreeg. In de eerste vijf races scoorde hij geen punten, maar in zijn thuisrace behaalde hij direct het podium met een tweede plaats. Met nog twee podiumplaatsen tijdens de TT Assen en de Grand Prix van Tsjechië eindigde hij als zesde in het kampioenschap met 134 punten.