Spaniolul a terminat cu 1,350 secunde în fața lui Marco Bezzecchi de la VR46 Racing, care a fost afectat de o accidentare la încheietura mâinii pe care a suferit-o la Marele Premiu al Cataloniei.
Bagnaia, campionul mondial de MotoGP de la Ducati, care a fost călcat pe picior săptămâna trecută într-un alt accident, a terminat al treilea.
Bagnaia este pe primul loc în clasamentul piloților cu 283 de puncte, cu Martin (247) pe locul doi și Bezzecchi (218) pe trei.
După dubla sa din acest weekend și un loc trei în Catalunya, Martin a redus avansul lui Bagnaia cu 30 de puncte în doar două săptămâni.
"Astăzi, cu Marco și Bagnaia, urma să fie foarte greu. Am încercat să rămân în frunte în toate tururile și, de îndată ce am văzut o mică diferență, am început să forțez ca naiba", a declarat Martin.
"Să câștigi aici în Italia, în fața italienilor, este mare lucru".
Rezultatul meritoriu al veteranului Pedrosa, clasat pe locul patru, a dat motive de bucurie celor de la KTM, după ce au suferit o dublă lovitură când Brad Binder și Jack Miller au căzut în tururi succesive.
Maverick Vinales (Aprilia) și Miguel Oliveira (RNF Aprilia) au ocupat locurile cinci și șase, în timp ce Marc Marquez, de șase ori campion la MotoGP, a încheiat pe locul șapte.