Le peloton s'élance de Colunga sans Simon Clarke (Canondale-Drapac) et sans Salivio Herklotz (Bora-Argon 18). Très vite, un autre coureur de l'équipe Cannondale-Drapac, Patrick Bevin, est contraint de renoncer à son tour. Au kilomètre 50, un groupe de 23 échappés se forme. Il comprend Ben Hermans (BMC), Martijn Keizer (Lotto NL-Jumbo), Davide Malacarne (Astana), Koen De Kort et Johannes Frölingher (Giant-Alpecin), Kiel Reijnen (Trek-Segafredo), Jan Bakelants et Axel Domont (Ag2R-La Mondiale), Tiago Machado et Jonathan Restrepo (Katusha), Sander Armée (Lotto-Soudal), Pieter Serry et Zdenek Stybar (Etixx-Quick Step), Pierre Rolland (Cannondale-Drapac), Jacques Janse van Rensburg et Merhawi Kudus (Dimension Data), Larry Warbasse (IAM Cycling), Kristijan Durasek et Ilia Koshevoy (Lampre-Merida), Cesare Benedetti et Christoph Pfingsten (Bora-Argon18), David Arroyo et Angel Madrazo (Caja Rural-Seguros RGA). Trente-quatre kilomètres plus tard, à la zone de ravitaillement, leur avance dépasse les cinq minutes. Les Tinkoff d'Alberto Contador mènent cependant la chasse et l'écart se réduit pour passer sous les trois minutes à 70 km du but, où Laurent Pichon (FDJ) et José Gonçalves (Caja Rural) abandonnent.
L'écart s'est stabilisé à deux minutes lorsque Zdenek Stybar remporte le sprint intermédiaire de Suances (km 122). Mais à 30 km de Peña Cabarga, l'avance des vingt-trois a fondu en dessous de la minute, toujours sous l'impulsion des Tinkoff, alors que la moyenne se maintient au-dessus de 46 km/h. Jacques Janse van Rensburg at Angel Madrazo tentent bien de partir seuls, mais le sort de l'échappée est scellé puisque, au pied de la dernière côte, le peloton est dans les roues des fuyards.
L'étape va donc se résumer à une course de côte de 6 km, emmenée dès le pied par les Movistar. Devant, Ben Hermans, un temps flanqué de Jan Bakelants, est le dernier à résister, mais il est repris juste après la banderole des trois derniers kilomètres. Il faut attendre les deux derniers pour voir l'un des favoris, Esteban Chaves, abattre ses cartes. Le Colombien démarre à 1,7 km du but et c'est Alejandro Valverde qui prend la poursuite à son compte, les autres leaders dans sa roue. Leopold König prend le relais pour emmener Chris Froome, mais c'est Quintana qui surgit aux 700 m, le Britannique dans sa roue. Les deux hommes reprennent Esteban Chaves aux 600 m, le triple vainqueur du Tour de France attaque à son tour 100 m plus loin, mais sans pouvoir décrocher le maillot rouge. Les deux hommes forts de cette Vuelta se relèvent alors pour s'expliquer au sprint, qu'enlève logiquement le Britannique.
