160 coureurs prennent le départ à Benidorm. Victime d'une chute la veille, Samuel Sánchez (BMC) est non partant. De nombreux coureurs attaquent dès le départ, sans faire une différence avant la première ascension, le Coll de Rates (2e catégorie). 17 coureurs prennent les devants à l'initiative de Gesink (LottoNL-Jumbo). Le maillot à pois Elissonde (FDJ) attaque mais est repris avant le sommet où Fraile (Dimension Data) passe le premier devant Bilbao (Caja Rural) et Didier (Trek-Segafredo). Il devient le meilleur grimpeur de la Vuelta. Dans la descente Froome et Golas (Team Sky), Quintana, Valverde, Herrada, Rojas, Castroviejo (Movistar), Chaves (Orica-Bike Exchange), Talansky (Cannondale-Drapac) et Stybar (Etixx-Quick Step) accélèrent. L'équipe Tinkoff neutralise le mouvement au km 44.
Dans le deuxième col, l'Alto de Vall de Ebo (2e catégorie), Sanchez (Astana), Gesink (LottoNL-Jumbo), Didier (Trek-Segafredo), Bakelants (Ag2r-La Mondiale), Frank (IAM Cycling), Molard (Cofidis) et Kochetkov (Katusha) attaquent. Ils sont poursuivis par une quinzaine de coureurs. Molard (Cofidis) passe en tête au sommet (km 62), il est ensuite rejoint par Luis León Sánchez (Astana). Un groupe de contre se forme: Rojas (Movistar), Trofimov (Tinkoff), López (Team Sky), Atapuma (BMC), Gesink (LottoNL-Jumbo), Howson (Orica-BikeExchange), Felline (Trek-Segafredo), Latour (ag2r-La Mondiale), Kochetkov (Katusha), De Clercq (Lotto-Soudal), King (Cannondale-Drapac), Frank et Chevrier (IAM Cycling), Conti (Lampre-Merida) et Calmejane (Direct Energie). Ils sont à 55'' au km 80. Elissonde sort du peloton qui ralentit pour rejoindre l'échappée. Molard est le premier au sommet de l'Alto de Tollos (2e catégorie, km 82,6). Les poursuivants sont à 1'40''. Elissonde à 2'33''. Le Français rejoint le groupe de contre dans la descente. Le peloton est à 6 minutes. Rojas (Movistar) est victime d'une chute dans la descente, il est contraint à l'abandon en raison d'une fracture ouverte de la jambe.
Au pied du Puerto de Tudons (2e catégorie), Molard et Sanchez ont 2'21'' d'avance sur le groupe Gesink-Elissonde. Le peloton conduit par l'équipe Orica-Bike Exchange est à 13'11''. Au sommet, Molard passe devant Sánchez et Elissonde. Dans l'ascension, Chaves (Orica-Bike Exchange) attaque. Contador (Tinkoff) accélère à son tour, les principaux protagonistes du classement général le suivent. Chaves retrouve son équipier Howson qui était échappé. L'avance du Colombien sur le groupe des favoris est de 1'45'' au pied de la dernière ascension longue de 21 kilomètres. Les deux hommes de tête y précèdent leurs 14 poursuivants de 1'45''.
Dans l'Alto de Aitana, Luis León Sánchez qui a distancé Molard à 12 kilomètres de l'arrivée, est rejoint et distancé par le Colombien Atapuma (BMC), poursuivi par Frank et Latour, à 4 kilomètres du but.
Chaves poursuit sa progression devant un peloton que son équipier Simon Yates essaie de désunir à deux reprises. A 7 kilomètres du sommet, König attaque et est suivi des seuls Brambilla, Contador, Quintana et Froome. Froome attaque pour prendre la roue de son équipier López distancé du groupe de tête. Quintana reste au contact. Froome attaque encore sans distancer le Maillot Rouge.
Devant, Latour et Atapuma se retrouvent seuls. Le Colombien, resté dans la roue, porte une attaque qu'il pense décisive à 400 mètres mais le Français revient et s'impose au sprint.
Quintana garde aisément la roue de Froome et s'envole dans la dernière ligne droite pour légèrement augmenter son avance au général de deux secondes sous les applaudissements du triple vainqueur du Tour de France. Peu après, Contador passe la ligne mais il lui manque 13 secondes sur Chaves pour garder sa place sur le podium.
