Nasce a Torino il 14 gennaio 1994 e fin da piccolo si dimostra un talento delle due ruote, prendendo parte alle prime competizioni in minicross a sei anni e in minimoto due anni più tardi, riuscendo ad aggiudicarsi diversi titoli regionali.

Nel 2009 inizia l'avventura con le MiniGP 50cc, conquistando il titolo di vice-campione italiano, assieme a quello di Campione Europeo Junior 50cc. L'anno successivo Bagnaia corre nel Campionato Mediterraneo PreGP 125 col team Monlau Competición di Alzamora, concludendo la stagione al secondo posto; nel 2011 esordisce quindi nel CEV sempre con lo stesso team: qui si conferma fin da subito competitivo, vincendo la gara di Albacete e chiudendo terzo in campionato.

Nel 2012 rimane nel campionato spagnolo e porta a due le vittorie grazie alla gara di Catalunya, impresa che nessun altro pilota italiano è poi riuscito a replicare fino a Nicolò Bulega quest'anno, chiudendo per la seconda stagione consecutiva al terzo posto nel campionato spagnolo.

Queste le premesse di Bagnaia per il suo approdo in Moto3: con il San Carlo Team Italia, sulla FTR M313, il primo anno il pilota torinese non lotta per le posizioni di vertice, senza riuscire a guadagnare punti in campionato. L'anno successivo, però, il passaggio allo Sky Racing Team sulla KTW RC 250GP assieme a Romano Fenati si rivela una scelta fortunata: infatti, Pecco si dimostra più competitivo e si distingue per le sue staccate da maestro, arrivando ai piedi del podio a LeMans e chiudendo 16esimo in Campionato con 50 punti.

Nel 2015 entra a far parte del VR46 Riders Academy di Valentino Rossi assieme a molti giovani piloti italiani, passando alla Mahindra MGP3O del team Aspar Martinez: durante questa stagione Bagnaia è cresciuto molto, mantenendo intatto il suo talento e il suo stile aggressivo, riuscendo a salire sul podio per la prima volta in Moto3 col terzo posto a Le Mans dopo una gara bella e combattuta, lottando in molti GP per le prime posizioni. Ha quindi chiuso al 14esimo posto con 76 punti.

Nel 2016 Bagnaia ha fatto il definitivo salto di qualità: dopo il terzo posto iniziale in Qatar, è tornato sul podio anche a Jerez e al Mugello, prima di conquistare il primo meritato successo ad Assen. Dopo la piazza d'onore colta a Silverstone, "Pecco" ha chiuso la stagione in bellezza, bissando il trionfo olandese con una perentoria affermazione in Malesia. Il tutto in attesa di sbarcare in Moto2 nel 2017, dove sarà al via in sella alla moto dello Sky Racing Team VR46.

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