In 2016 bleef Bastianini actief in de Moto3 op een Honda van Gresini. Hij miste de Grand Prix van Frankrijk vanwege een blessure aan zijn hand, die hij opliep tijdens een training. Gedurende het seizoen behaalde hij podiumplaatsen in Catalonië, Duitsland, Oostenrijk, San Marino en Aragón. In Japan behaalde hij zijn enige overwinning van het seizoen. In Maleisië moest hij wederom de race missen vanwege een blessure aan zijn ruggenwervel die hij opliep tijdens de voorgaande race in Australië. Met 177 punten werd hij achter Brad Binder tweede in het klassement.