Le peloton s'est élancé de Villalpando avec 186 coureurs, dont Alberto Contador, présent en dépit de sa chute la veille dans le final. Onze coureurs – Gatis Smukulis (Astana), Zico Waeytens (Giant-Alpecin), Axel Domont (AG2R-La Mondiale), Sergey Lagutin et Jhonatan Restrepo (Katusha), Pieter Serry (Etixx-Quick Step), Jacques Janse van Rensburg (Dimension Data), Mattia Cattaneo (Lampre-Merida), Loïc Chetout (Cofidis), Scott Thwaites (Bora-Argon18) et Perrig Quemeneur (Direct Energie) – profitent du vent de trois-quarts pour se détacher au kilomètre 9. Par la suite, le vent de dos (45,8 km/h de moyenne dans la première heure) favorise leur entreprise et ils comptent plus de huit minutes d'avance après 105 km sur le peloton emmené par les BMC de Darwin Atapuma. À 40 km de l'arrivée, l'écart grimpe même à 10'30" alors que la moyenne est toujours supérieure à 45 km/h. La victoire d'étape ne peut plus échapper à l'un des fuyards.
Waeytens tente de fausser compagnie à ses compagnons au pied de la Camperona et va prendre les points du sprint du jour à Sabero, devant Smukulis et Restrepo, qui prend le relais et attaque l'ultime ascension seul en tête, avec un peu moins de huit minutes d'avance sur le peloton. Mais le jeune Colombien cale à un kilomètre du but, dans le secteur le plus dur de la rampe finale. Sous la flamme rouge, seuls Pieter Serry, Perrig Quemeneur, Sergey Lagutin et Axel Domont peuvent encore prétendre à a victoire. Et c'est le vétéran d'origine ouzbèke qui se montre le plus futé en démarrant aux 200 mètres pour déposer Domont et Quemeneur.
Derrière, la lutte des favoris fait rage et c'est Nairo Quintana qui tire les marrons du feu. Chris Froome tente de durcir la course à 1,2 km du but, décroche Alberto Contador, mais coince à son tour. C'est alors que le Colombien démarre pour aller chercher le maillot rouge et en déposséder son compatriote Darwin Atapuma, 4'413 après le passage du vainqueur d'étape. Planté, Chris Froome est doublé par Contador dans la dernière ligne droite. El Pistolero en termine 25 secondes derrière Quintana, et le Britannique huit secondes plus loin. Au général, Quintana devance son équipier Alejandro Valverde de 19 secondes et Froome de 27" alors qu'Esteban Chaves (Orica-BikeExchange), autre déception du jour, est déjà relégué à 57".
