Skryf 'n voortsetting vir hierdie paragraaf - In 2016 het Bagnaia die seisoen begin met 'n podium in Losail en nog 'n podium in Jerez, wat albei kere 3de geëindig het. In sy tuiswedloop in Italië het Bagnaia nog 'n 3de posisie behaal deur Niccolò Antonelli met 0.006 sekondes te verslaan. Na 'n ongeluk in Barcelona het Bagnaia sy eerste Grand Prix-oorwinning by die historiese Assen verseker
in sy 59ste Moto3-wedloop en dit was ook die eerste oorwinning vir Mahindra. Hy het nou 4 podiums behaal in die eerste 8 wedrenne van die seisoen en het gevind dat hy vir die titel veg. Na twee gemiddelde wedrenne en 'n ongeluk in Brno, het Bagnaia sy eerste pole-posisie in die reën-aangetaste Silverstone behaal en tweede agter Brad Binder geëindig in 'n opwindende wedloop. Bagnaia het sy tweede wedloop van die seisoen in Sepang gewen en die wedloop gemaklik gewen met 'n groot gaping nadat Brad Binder, Joan Mir en Lorenzo Dalla Porta almal in dieselfde hoek neergestort het tydens die begin van die wedloop, wat gevul was met verskeie neerstortings. Hy het die seisoen met 145 punte voltooi om die vierde plek in die Moto3-kampioenskap te behaal met 'n totaal van 2 oorwinnings en 6 podiums. Bagnaia het die geleentheid gehad om 2de in die Wêreldkampioenskap agter Brad Binder te eindig, maar is ongelukkig in beide Phillip Island en Valencia deur Gabriel Rodrigo uitgeskakel. Rodrigo het Fabio Di Giannantonio in Australië uitgestoot wat Bagnaia saam met hom gaan haal het. In Valencia het Rodrigo op die eerste ronde 'n hoë ongeluk gemaak wat die laaste draai nader, Bagnaia het weer onvermydelik neergestort.