De als tweede geplaatste Amerikaanse vocht zich in Peking terug om Veronika Kudermetova met 6-7 (9), 6-1, 6-2 te verslaan.
De eerste set was een marathonset, waarin de als 39e geplaatste Russin in de tiebreak zegevierde om een voorsprong te nemen.
Pegula sloeg terug in de tweede set, nam dat momentum mee naar de beslissende set en pakte een vroege break om zichzelf een uitstekende kans op de overwinning te geven.
Pegula, die op jacht is naar haar zevende WTA Tour-titel, won de wedstrijd op haar derde matchpoint toen ze een ace sloeg.
Badosa, de nummer 19 van de wereld, boekte haar plaats in de volgende ronde met een overwinning in straight sets op de Slowaakse qualifier Rebecca Sramkova.
De topseed in Peking is Aryna Sabalenka, die eerder deze maand Pegula met 7-5, 7-5 versloeg in de finale van de US Open voor haar derde grandslamtitel.
De nummer één van de wereld Iga Swiatek is niet in Peking vanwege "persoonlijke zaken".