O espanhol terminou 1,350 segundos à frente de Marco Bezzecchi, da VR46 Racing, que foi prejudicado por uma lesão no pulso sofrida no Grande Prêmio da Catalunha.
O campeão mundial de MotoGP da Ducati, Bagnaia, que teve sua perna atropelada em um acidente na semana passada, terminou em terceiro.
Bagnaia está no topo da classificação dos pilotos com 283 pontos, com Martin (247) em segundo e Bezzecchi (218) em terceiro.
Depois da dobradinha de sprint e corrida neste fim de semana e do terceiro lugar na Catalunha, Martin reduziu a liderança de Bagnaia em 30 pontos em apenas duas semanas.
"Hoje, com Marco e Bagnaia, ia ser muito difícil. Tentei ficar na frente durante todas as voltas e, assim que vi uma pequena diferença, comecei a me esforçar ao máximo", disse Martin.
"Vencer aqui na Itália, na frente dos italianos, é muito importante."
Favoritos
Como fizeram na corrida de sprint de sábado, o trio formado por Martin, Bezzecchi e Bagnaia disparou na linha de largada e abriu uma grande diferença em relação ao resto do pelotão, transformando a corrida em um tiroteio triplo.
Enquanto Martin liderou a corrida, Bezzecchi teve que lidar com a decepção inicial, depois de ter ultrapassado Bagnaia por pouco tempo, mas logo em seguida ter ficado fora da curva seguinte, caindo para terceiro.
No entanto, com o passar da corrida, as lesões do GP da Catalunha pareciam estar afetando Bagnaia, e Bezzecchi, mais uma vez, o ultrapassou na 19ª volta. Na segunda tentativa, o piloto de 24 anos conseguiu a ultrapassagem.
"Dei o máximo de mim do começo ao fim. Depois que passei o Pecco, consegui pegar o ritmo, embora a dor estivesse aumentando cada vez mais. Eu queria esse pódio com todo o meu coração", disse Bezzecchi.
Superação
Bagnaia precisou de uma performance hercúlea para terminar no pódio, evitando uma série de ataques tardios em uma batalha acirrada pelo terceiro lugar com o wildcard Dani Pedrosa.
"Fui pressionado pelo fato de querer fazer uma boa corrida para os fãs", disse o lesionado Bagnaia, que teve de ser ajudado a sair da moto após a corrida.
"Eu estava destruído depois da metade da corrida. Estou feliz com o resultado, não foi fácil considerando a situação."
O honroso quarto lugar do veterano Pedrosa deu à KTM alguns motivos para se alegrar, depois de ter sofrido um duplo golpe quando Brad Binder e Jack Miller caíram em voltas sucessivas.
Maverick Vinales (Aprilia) e Miguel Oliveira (RNF Aprilia) ficaram em quinto e sexto, enquanto o seis vezes campeão da MotoGP Marc Marquez terminou em sétimo.