Bargnani został wybrany z numerem 1 draftu NBA w 2006 roku przez Toronto Raptors. Stał się tym samym pierwszym Europejczykiem, który został wybrany z pierwszym numerem draftu NBA. Spędził w Toronto siedem sezonów, w trakcie których zdobywał średnio 15,2 punktu i 4,8 zbiórki na mecz. 10 lipca 2013 w ramach wymiany trafił do New York Knicks w zamian za trzech innych zawodników i trzy wybory w drafcie. 17 lipca 2015 podpisał kontrakt z Brooklyn Nets. 20 lutego 2016 został zwolniony przez Nets.