Nur wenige Minuten nach dem Start bildeten sich einige Spitzengruppen, die sich allmählich zu einer größeren Gruppierung aus 26 Fahrern zusammenfanden. Vertreten waren unter anderem Joaquim Rodríguez, der Punkte für die Verteidigung des Gepunkteten Trikots sammeln wollte, Jean-Christophe Péraud, Andrew Talansky und Pierre Rolland. Die Sky-Mannschaft um Chris Froome übernahm die Nachführarbeit. Es ging nahezu von Beginn an bergauf, sodass in der Gruppe der Favoriten mehrere Attacken gestartet wurden. Vincenzo Nibali konnte bis in die Spitzengruppe hereinfahren, auch Alberto Contador und Alejandro Valverde versuchten, wegzukommen. Die aggressive Fahrweise führte dazu, dass Chris Froome nun fast auf sich allein gestellt war, nur sein Teamkamerad Wouter Poels konnte dem Tempo noch folgen. Die erste Bergwertung gewann Rodríguez vor Steven Kruijswijk und Pierre Rolland. In der Abfahrt war die Rennsituation unübersichtlich, das zersprengte Feld fand langsam wieder zusammen und verschiedene Fahrer lagen kurzzeitig in Führung. Die Spitzengruppe setzte sich aus rund 20 Fahrern zusammen und lag etwa zwei Minuten vor dem Feld.
Nach dem unumkämpften Zwischensprint lag als Nächstes der Anstieg zum Col de la Croix de Fer vor den Fahrern. Dort attackierte Pierre Rolland aus der Spitzengruppe heraus, im Hauptfeld wurde dagegen weiterhin nicht besonders schnell gefahren. Erst mit der Übernahme der Führungsarbeit durch Astana wurde das Tempo erhöht, was prompt Wirkung zeigte: Viele Fahrer konnten dem Tempo nicht mehr standhalten und fielen zurück, übrig blieb eine Favoritengruppe aus neun Fahrern. Vorn hatte sich Rolland absetzen können, die Favoritengruppe überholte nun einige seiner Verfolger, darunter auch Rodríguez. Als Chris Froome wegen eines Defektes kurz anhalten musste, griff Vincenzo Nibali erneut an und machte sich auf die Verfolgung Rollands. Er erreichte die Wertung etwa eine Minuten hinter dem Franzosen, drittplatziert war Romain Bardet, der sich noch Chancen auf das Gepunktete Trikot ausrechnete. In der kurzen Abfahrt bis zum nächsten Anstieg fuhr Nibali sehr riskant, um Boden auf Rolland gutzumachen. Er lag noch etwa 40 Sekunden zurück, die Gruppe um Froome hatte etwa zwei Minuten Rückstand. Kurz hinter der Bergwertung am Col du Mollard hatte Nibali Rolland eingeholt.
Das Spitzenduo machte sich nun mit 1:50 Minuten Vorsprung auf den Weg zur Bergankunft in La Toussuire (1. Kategorie). Die Verfolgergruppe bestand noch aus folgenden Fahrern: Wouter Poels, Chris Froome (Sky), Rafał Majka, Roman Kreuziger, Alberto Contador (Tinkoff-Saxo), Alejandro Valverde, Nairo Quintana (Movistar), Romain Bardet (ag2r), Robert Gesink (Lotto NL-Jumbo), Rubén Plaza (Lampre-Merida), Bauke Mollema (Trek), Andrew Talansky (Cannondale-Garmin), Thibaut Pinot (FDJ) und Mathias Frank (IAM). Im Anstieg ließ Nibali Rolland stehen und fuhr schnell über eine Minute auf den Franzosen heraus, der sich dann zur Verfolgergruppe zurückfallen ließ. Dort griff Nairo Quintana an, Froome folgte, konnte aber nicht aufschließen und lag etwa 20 Sekunden hinter dem Kolumbianer. Vorn hielt Nibali seinen Vorsprung auf Quintana und gewann die Etappe. Froome kam als Dritter 30 Sekunden hinter Quintana ins Ziel, sein Vorsprung im Gesamtklassement verkürzte sich damit auf 2:38 Minuten. 1:12 Minuten hinter Froome kam die übrige Gruppe mit Bardet, Valverde und Contador ins Ziel. Für Bardet bedeuteten die vier im Schlussanstieg gewonnenen Bergpunkte die Führung in der Wertung um das Gepunktete Trikot.