Säsongen 2017 flyttade Bagnaia upp i Moto2-klassen där han körde en Kalex för Sky Racing Team VR46. han kom femma i VM efter fyra pallplatser och blev näst bäste nykomling efter Miguel Oliveira. Bagnaia fortsatte i samma team säsongen 2018 och tog sin första seger i årets första Grand Prix, det i Qatar. Säsongen fortsatte bra och Bagnaia ledde VM, endast utmanad av portugisen Miguel Oliveira. Bagnaia blev världsmästare i säsongens näst sista Grand Prix, det i Malaysia.