Mengendarai FTR Honda, musim debut Bagnaia sama sekali tak menjanjikan. Ia kesulitan masuk 15 besar dan tak meraih satu pun poin. Namun, semua berubah saat ia bergabung dengan VR46 Riders Academy.
Dalam akademi balap bentukan Valentino Rossi itu bahkan langsung mendapat kepercayaan untuk membela tim balap sang sembilan kali juara dunia, Sky Racing VR46 pada 2014.
Di atas motor KTM, Bagnaia memang tak meraih satu pun podium, namun mengoleksi 50 poin dan duduk di peringkat 16 pada klasemen akhir pebalap.
Masih dalam bimbingan VR46, Bagnaia pindah tim pada 2015. Membela Mahindra lewat Aspar Team, ia berhasil mencicipi podium perdananya usai finis ketiga di Le Mans.
Pada musim 2016, ia lebih garang lagi. Total, ia meraih 6 podium, yang 2 di antaranya merupakan kemenangan. Ia pun mengakhiri musim di peringkat keempat.
Ada yang unik dari kerja sama antara Bagnaia dan Aspar Team. Usai finis kedua di Silverstone, Bagnaia dapat tantangan dari sang sporting director, Gino Borsoi.
