En 2013, Bagnaia hizo su debut con el equipo Team Italia FMI con Romano Fenati como su compañero ambos a los mandos de una FTR Honda.

En 2014, Bagnaia cambió de equipo para unirse al Sky Racing Team by VR46 montando una KTM y repitiendo como pareja a Romano Fenati.

En la siguiente carrera en Italia, Bagnaia terminó cuarto, perdiendo el podio por solo 0.003 segundos frente a Romano Fenati.

En su carrera de casa en Italia, Bagnaia consiguió otra tercera posición al superar a Niccolò Antonelli por solo 0.006 segundos.

[10]​ En apenas su cuarta carrera en la categoría, Bagnaia logró su primer podio al terminar en la segunda posición en Jerez.

En Misano, Bagnaia terminó la carrera en la cuarta posición detrás de Dominique Aegerter, Thomas Lüthi y Hafizh Syahrin; sin embargo, Aegerter fue posteriormente descalificado y así consiguió su cuarto podio de la temporada.

Bagnaia comenzó la temporada con una victoria en Catar, habiendo liderado la carrera de principio a fin.

Bagnaia obtuvo su primera pole en Moto2 en Le Mans,[19]​[20]​ en donde además ganó liderando de principio a fin como en Catar.

En Brno, Bagnaia terminó tercero y perdió el liderato del campeonato ante Oliveira.

Bagnaia abandono por caídas los grandes premios de España, Francia, Italia y Cataluña.