Stoner sale desde la primera posición que se coloca en la cabeza de la carrera. Pedrosa sale muy bien, desde la tercera fila de la parrilla, y se coloca en sexta posición con Valentino detrás. Junto a Stoner está Vermeulen, Melandri, Capirossi y Barros.
Capirossi supera a Vermeulen antes de que acabe la primera vuelta y ya tenemos a las dos Ducati delante. Por el contrario Rossi no ha tenido un buen inicio de carrera, le supera Hopkins y se ve que no se siente demasiado confiado en Mugello. Por su parte Pedrosa da caza a Barros, para ocupar la quinta posición. Stoner se destaca, pero Capirosi se coloca a su rueda. Se cae De Puniet cuando comienza la segunda vuelta y Pedrosa supera a Vermeulen, para pasar a ser cuarto, por detrás de Melandri, y empezar su escalada hacia los puestos de cabeza. Capirossi supera a Stoner.
A 20 vueltas del final, Pedrosa hace la vuelta rápida y Valentino despierta, probablemente estaba esperando a que los neumáticos tomasen temperatura, dando caza a las Suzuki de Hopkins y de Vermeulen. Elías es noveno y checa está en el decimosexto puesto.
A 19 vueltas del final Melandri supera a Stoner, el líder del Mundial se queda por delante de Pedrosa, para más tarde superarle el piloto de Castellar del Vallés. Pedrosa segundo, por detrás de Capirossi... Pero por poco tiempo, porque Dani pasa a ocupar la cabeza de carrera casi inmediatamente. Ya dio el aviso en entrenamientos, en seco la Honda de Pedrosa era la más rápida. Rossi también supera a Capirossi, yendo hacia la primera posición. Se produce la lucha que todos esperábamos: Pedrosa vs Rossi. Dani consigue parar los embites de Rossi, pero el piloto italiano no cede en su empeño de superar al pequeño Pedrosa, cuya moto demuestra una gran velocidad punta.
A 15 vueltas del final Dani pierde la concentración, tiene un error y Rossi pasa a la primera posición. Pedrosa evidencia que quiere plantar batalla hasta la última vuelta y le enseña la rueda delantera a Valentino. Checa se cae —pierder el "grip" de la rueda delantera y se va al suelo— y Stoner pasa a Capirossi para alcanzar la tercera posición, el italiano se va atrás y le pasan Vermeulen y Barros, que logra cerrar un primer grupo. Por detrás vendrán Capirosi, Hopkins y Melandri.
Pedrosa logra echarse encima de Rossi en las rectas, pero en el resto del trazado, la maestría de Rossi queda evidenciada. Toni Elías completa una buena remontada cuando quedan 11 vueltas del final, y llega hasta Capirossi, que sigue en su descenso de posiciones.
A ocho vueltas para el final, queda evidente que Pedrosa tiene serias dificultades para llegar a la vuelta trasera de la Yamaha de Valentino; el italiano saca 0,7 segundos al español... Por su parte Stoner, tercero, también se va quedando bastante lejos de Pedrosa, mientras que Barros supera a Hopkins e intenta dar caza al australiano. Le enseña varias veces la rueda delantera y a tres vueltas del final lo consigue. El veterano brasileño tiene en su mano una plaza de podio.
A Pedrosa, a cuatro vueltas del final, sólo le queda esperar un error enorme de Valentino para tener opciones para la victoria, porque por más que lo intenta no logra coger la estela del piloto de Yamaha. En la última vuelta Dani tira la toalla, y se conforma con la segunda posición... Lástima porque no completamos el pleno de victorias en tierras italianas. Barros y Stoner siguen luchando, pero el brasileño cierra bien las puertas al australiano y logra completar el podio. Stoner es cuarto; Hopkins, quinto y Elías sexto por delante de Capirossi.
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| 2º | 1º | 3º |
| PEDROSA | ROSSI | BARROS |
| Honda | Yamaha | Ducati |
| a 3,074 | 42'42.385 | a 5,956 |
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