Pecco kemudian menerima tantangan baru pada 2015 dengan bergabung bersama Aspar Team Mahindra. Di tahun pertamanya bersama Mahindra, Pecco hanya mampu menempati posisi ke-14 di klasemen. Namun tahun kedua, dia berhasil menempati posisi keempat dengan enam kali podium.
Pecco lalu naik kelas ke Moto2 pada 2017. Dia bergabung dengan Sky Racing Team VR46. Pecco sukses jadi Rookie of the Year saat itu dengan finis di urutan kelima klasemen dan empat kali podium.
Pada tahun 2018, Pecco menjadi penantang Juara Dunia Moto2 sejak awal. Pecco berhasil meraih delapan kemenangan dan akhirnya merebut gelar Juara Dunia Moto2 2018 di Malaysia.
Tahun berikutnya, Pecco naik lagi ke kelas MotoGP. Pecco langsung menunggangi motor Ducati bersama tim Pramac Racing. Namun, tahun 2019 dan 2020 bukan awal yang manis bagi Pecco di MotoGP. Tahun 2019, dia hanya bisa menempati urutan ke-15 di klasemen tanpa meraih podium sama sekali. Sementara tahun 2020, Pecco menempati urutan ke-16 meski dengan satu kali podium.
Tahun 2021 lalu, performa Pecco membaik setelah bergabung dengan Ducati Lenovo Team. Tiga podium dan satu pole position di empat seri pertama menandakan rider Italia itu sebagai penantang gelar. Namun, pada akhirnya Pecco dikalahkan oleh Quartararo tahun lalu dan harus puas di posisi runner up. Tahun lalu, Pecco meraih 252 poin dengan empat kemenangan dan sembilan podium. Sementara Quartararo saat itu lebih unggul dengan 278 poin.
