Hanya selang setahun, karier Bagnaia melejit, langsung naik ke kelas utama MotoGP.
Di musim perdana Bagnaia gabung dengan tim Pramac Racing, bersama Jack Miller.
Bersama tim tersebut Bagnaia menggantikan peran Danilo Petrucci.
Kala itu Petrucci gabung ke tim pabrikan, Mission Winnow Ducati.
Di musim kedua pada 2020, Dorna nyaris menutup kejuaraan MotoGP semua kelas akibat pandemi Covid-19.
Setelah moncer di Pramac Racing dengan satu kali naik podium di San Marino, Bagnaia dipromosikan ke tim pabrikan.
Bagnaia promosi ke tim Ducati Lenovo pada 2021 bersamaan dengan Jack Miller.
Di musim perdananya ini dengan pabrikan Ducati, Bagnaia kembali membuktikan kelayakannya.
Di akhir musim Pecco Bagnaia masuk perebutan gelar juara dunia dengan Fabio Quartararo dan Franco Morbidelli.
Bagnaia tercatat meraih 4 kemenangan dari 9 kali naik podium.
Di akhir musim Bagnaia menjadi runner up dengan 252 poin.
Di musim keduanya bersama pabrikan Ducati kembali moncer.
Kali ini Bagnaia sukses mengalahkan Quartararo sampai akhir musim di Valencia.
Hebatnya, Bagnaia sukses mengejar ketertinggalan 91 poin dari rider Prancis itu.
Di akhir seri MotoGP 2022 di Valencia, Bagnaia menjadi juara dunia MotoGP perdananya, mengalahkan Quartararo.
Di musim selanjutnya yakni MotoGP 2023, perjalanan panjang dilaluinya selama 20 seri.