Nel 2016 viene dato l'annuncio del prossimo esordio in Moto2 per KTM, andando a costruire un prototipo attorno al motore, unico per tutti i costruttori, dello storico rivale Honda. La KTM Moto2, nome scelto per il prototipo della classe intermedia del motomondiale, si dimostra fin da subito molto competitiva, andando a cogliere il primo podio di categoria in Argentina, alla seconda gara dal debutto assoluto in pista. Nella stagione 2017 le moto austriache sono affidate al solo team Ajo Motorsport, storico collaboratore, che opta per due piloti che avevano già corso a lungo con KTM in Moto3: il portoghese Miguel Oliveira e il sudafricano Brad Binder. Le prestazioni crescono costantemente durante l'anno, arrivando a vincere le ultime tre gare in calendario, con entrambi i piloti a festeggiare sul podio. Nel 2018, oltre alla confermata collaborazione con Ajo, vengono messe in pista altre tre motociclette, destinate ai Team Swiss Innovative Investors e Kiefer Racing. Oliveira rimane in lizza per il titolo fino alla penultima gara stagionale, mentre Binder chiude la stagione al terzo posto, vincendo tre Gran Premi. Al termine della stagione il Team Ajo si aggiudica la prima edizione della classifica a squadre della Moto2. Nel 2019 la classe Moto2 cambia fornitore di motori. Il nuovo propulsore è un tre cilindri in linea di 765 centimetri cubici di marca Triumph. KTM, dopo un inizio difficoltoso, migliora le proprie prestazioni ottenendo cinque successi con Brad Binder, il primo dei quali in occasione del Gran Premio d'Austria, all'indomani dell'annuncio ufficiale del ritiro dalla categoria.