Till 2012 flyttade Bradl upp i huvudklassen MotoGP där han körde för LCR Honda MotoGP. Han slutade åtta i VM och fortsatte i samma team 2013. Han tog sin första pole position och sin första pallplats i USA:s Grand Prix på Laguna Seca och blev sjua i VM. 2014 gick det sämre. Bradl kom på 9:e plats och fick inte förnyat kontrakt med LCR Honda. Roadracing-VM 2015 körde Bradl inledningsvis en Yamaha Forward i öppna kategorin i MotoGP för Forward Racing. När teamet fick ekonomiska och juridiska problem löstes Bradl från kontraktet och började istället köra för Aprilia Gresini. Han fortsatte som fabriksförare för Aprilia 2016 och mot slutet av säsongen blev resultaten allt bättre i takt med att motorcykeln utvecklades. Bradl kom på 16:e plats i VM. Tidigt på säsongen stod det klart att Bradl inte fick förnyat kontrakt 2017. Istället körde han Superbike-VM 2017 för Ten Kate Honda med Nicky Hayden som stallkamrat. Hondan var inte konkurrenskraftig och Bradl fullföljf'de inte säsongen. Han har därefter varit testförare för Hondas MotoGP-satsning och gjort inhopp i VM 2018, 2019 och 2020.