"Piece by Piece" nhận được phản hồi tích cực từ các nhà phê bình âm nhạc; họ tán dương khả năng xử lý giọng hát của Clarkson. Các chỉ trích chủ yếu xoay xung quanh vấn đề sản xuất của album, cùng với việc sắp xếp chỉ quá tập trung vào những giai điệu mid-tempo. Về thương mại, đây là album thứ ba của cô ra mắt tại vị trí quán quân bảng xếp hạng US "Billboard" 200 với doanh số đạt 97.000 bản trong tuần đầu phát hành. Đĩa đơn mở đường cho album, "Hearbeat Song", đã lọt vào top 40 bảng xếp hạng US "Billboard" Hot 100. Đĩa đơn thứ hai, "Invincible" phát hành vào ngày 18 tháng 5 năm 2015; trong khi bài hát có tựa đề trùng với tên album ra mắt ở vị trí thứ 8 trên Hot 100 sau màn trình diễn ca khúc của Clarkson trong mùa thứ 15 của chương trình "American Idol". Chuyến lưu diễn hỗ trợ cho album, Piece by Piece Tour, khởi động vào ngày 11 tháng 7 năm 2015. Vào ngày 7 tháng 12 năm 2015, "Piece by Piece" nhận được đề cử cho Giải Grammy cho Album giọng pop xuất sắc nhất tại Giải Grammy lần thứ 58. Với lần đề cử thứ 4 ở hạng mục này, Clarkson phá kỷ lục cho nghệ sĩ có nhiều đề cử nhất mà trước đó cô từng nắm giữ cùng với Madonna, P!nk, Sarah McLachlan và Justin Timberlake. Đĩa đơn mở đường cho album, "Heartbeat Song", cũng nhận được đề cử Giải Grammy cho Trình diễn đơn ca pop xuất sắc nhất. Ngày 4 tháng 3 năm 2016, RCA phát hành "Piece by Piece Remixed", trong đó bao gồm các bản phối lại của 10 ca khúc trong album.