182 coureurs s'élancent de Lugones à 12h42 sous un ciel voilé. La première partie de l'étape, très nerveuse, est marquée par une série du chutes qui contraignent Kevin Reza (FDJ), Markel Irizar (Trek-Segafredo) et Bartosz Huzarski (Bora-Argon 18) à l'abandon tandis que l'ancien maillot rouge Darwin Atapuma (BMC) et le leader de l'équipe Etixx-Quick Step, Gianluca Brambilla, sont retardés. Ce dernier doit attendre le kilomètre 70 pour réintégrer le peloton dans un groupe d'une trentaine d'unités alors que les attaques se multiplient. C'est au même moment que se forme l'échappée du jour avec les seize coureurs suivants: Ben Hermans (BMC), Victor Campanaerts et Robert Gesink (Lotto NL-Jumbo), Dmitryi Gruzdev (Astana), Tobias Ludvigsson (Giant-Alpecin), Fabio Felline (Trek-Segafredo), Jan Bakelants (AG2R-La Mondiale), Egor Silin (Katusha), Louis Vervaeke (Lotto Soudal), Joe Dombrowski, Moreno Moser et Pierre Rolland (Cannondale-Drapac), Omar Fraile (Dimension Data), Vegard Staeke Laengen (IAM Cycling), Luis Angel Mate (Cofidis) et José Gonçalves (Caja Rural-Seguros RGA).
Ce groupe travaille parfaitement et voit son avance progresser constamment pour atteindre 5'30” à 66 km du but, ce qui fait de Ben Hermans le leader virtuel de la course. Mais le peloton, emmené par les équipiers de David de la Cruz, revient à moins de quatre minutes au pied de l'Alto del Mirador del Fito (km 140). Au sommet (km 148), Omar Fraile se détache pour prendre les points de cette ascension de première catégorie. Il est rejoint dans la descente par son compatriote Luis Angel Mate.
Le groupe éclate dans le long plat qui précède la montée vers les lacs de Covadonga et perd Moser et Gruzdev. Dans le peloton, Etixx-Quick Step et Movistar collaborent pour ramener la meute à 2:30 au pied de l'ultime effort. Devant, c'est Louis Vervaeke qui tente le premier de sortir, mais le Belge est repris par Pierre Rolland et ce qu'il reste du groupe de tête. En tête de peloton, les Movistar imposent un rythme que Chris Froome ne peut bientôt plus tenir. Le triple vainqueur du Tour de France est à la peine à 10 km du but, escorté par David Lopez.
Rolland est le deuxième à tenter sa chance en tête de course, mais après un kilomètre devant, il est repris par Robert Gesink à 6 km du sommet. Le Néerlandais, de retour après une saison blanche, s'en va tout seul. Mais l'étape, comme la Vuelta, se joue derrière, où Alberto Contador, à 6 km de la ligne, lance les hostilités. Seul Nairo Quintana peut résister à son attaque alors que le maillot rouge, David de la Cruz, a depuis longtemps cédé, de même qu'Esteban Chaves et Simon Yates (Orica-BikeExchange), bientôt repris par un Froome requinqué. Le Britannique a surmonté sa défaillance et son second souffle est spectaculaire: il reprend un à un ses adversaires à l'exception d'un seul. Sorti à 3,5 km de l'arrivée, Nairo Quintana a avalé Robert Gesink et est parti chercher cette victoire d'étape qui fait défaut à la Movistar, et reprendre ce maillot rouge cédé pendant une journée. Gesink arrache une deuxième place méritée au phénix de l'équipe Sky, qui termine à la troisième place, 25 secondes derrière le Colombien.
Au classement général, Nairo Quintana précède désormais le Britannique de 57 secondes et son équipier Alejandro Valverde de 58.
