W sezonie 2023 obronił tytuł pokonując Jorge Martina w walce podczas ostatniej rundy sezonu w Walencji. Tym samym został 3 zawodnikiem po Valentino Rossim i Marcu Marquezie, który od utworzenia klasy MotoGP w 2002 roku, zdobył dwa kolejne tytuły. Startując z numerem 1, jako pierwszy zawodnik od czasów Micka Doohana w 1998 roku obronił mistrzostwo.
W sezonie 2024 odniósł 11 zwycięstw w głównych wyścigach Grand Prix, ale zajął 2 miejsce w mistrzostwach tuż za Jorge Martinem. Podczas Grand Prix Niemiec został zawodnikiem z największa liczbą zwycięstw na motocyklu marki Ducati. Wyprzedził tym samym Caseya Stonera.
Sezon 2025 okazał się dla niego bardzo trudny. Sezon zakończył serią 5 nieukończonych wyścigów. Jego partnerem fabrycznym w zespole Ducati został Marc Marqueze.
W czerwcu 2026 roku Ducati poinformowało, że współpraca z Bagnaią zakończy się po sezonie 2026. W ciągu 8 sezonów zawodnika Ducati zdobył on dla producenta 2 tytuły mistrza świata MotoGP i stał się najbardziej utytułowanym pod względem liczby zwycięstw zawodnikiem marki w najwyższej klasie.
25 czerwca 2026 roku podpisał czteroletnią umowę z Aprilla Racing, która będzie obowiązywać od sezonu 2027. Jego partnerem zespołowym będzie Marco Bezzecchi.