Départ donné à 12h36 à 191 coureurs
Immédiatement l'échappée du jour se forme : Delage (FDJ), Engoulvent (Europcar), Durasek (Lampre-Merida), Maes (Etixx-Quick Step), Irizar (Trek Factory) et Lindemann (LottoNL-Jumbo). Au km 30 l'écart avec le peloton est de 13'30''. L'équipe Orica-GreenEdge du maillot rouge Esteban Chaves accélère le rythme.
Au km 70, l'avantage des échappés est de 10'00''. Au km 95, Peter Sagan fait rouler ses équipiers de Tinkoff-Saxo, l'écart est de 7'55''. Au contrôle de ravitaillement (km 108), il est de 6'50''. Katusha se place en tête de peloton à 56 kilomètres du but. Le peloton accuse un retard de 3'20''.
L'équipe Movistar accélère nettement avant San Fernando (km 156) en profitant du vent latéral mais sans parvenir à provoquer des éventails. L'avance des hommes de tête est alors supérieur à 2 minutes.
Delage passe en tête sous la banderole du sprint intermédiaire de Chiclana de la Frontera (km 179). Une chute dans le peloton jette à terre plusieurs coureurs dont Tejay Van Garderen (BMC) et Andrew Talansky (Cannondale-Garmin). Le premier, attendu par trois équipiers, repart avec 1 minute de retard sur le peloton. Il reprend place dans le peloton à 24 km du but.
En tête, Engoulvent roule seule en tête en compagnie du Basque Irizar. Le peloton est à 30'' à 23 km de Vejer de la Frontera. Le peloton les reprend à 12 km de l'arrivée. Irizar est le plus combattif du jour.
Dès le début de la côte finale, le Belge Van der Sande (Lotto-Soudal) porte une attaque, suivi de Valverde (Movistar) et Reza (FDJ). Les deux se relèvent.
Bilbao (Caja Rural) dépasse le Belge et maintient son effort devant le peloton réduit à 30 unités et dirigé par l'équipe Katusha.
Samuel Sanchez (BMC) attaque à son tour à 1,8 km de la ligne, il est suivi par Roche (Team Sky). Dans les 200 derniers mètres, Valverde fournit son effort et l'emporte devant Peter Sagan (Tinkoff-Saxo) et Daniel Moreno (Katusha). Il s'agir pour le champion de Murcie de sa neuvième victoire d'étaape dans la Vuelta.
Esteban Chaves conserve le maillot rouge de leader.
Mercredi, cinquième étape Rota – Alcala de Guadaira (167,3 km)
