Mugello aguardaba expectante una victoria de su héroe, Valentino Rossi, pero el trazado italiano enmudeció tan solo nueve vueltas después de que el semáforo rojo se apagara, las que tardó en romperse el motor de la Yamaha número 46.
No fue el día de Rossi; sí el de Jorge Lorenzo. El balear arrancó como un cohete y solo su compañero de equipo pudo seguir su estela. Parecía, incluso, que Rossi tenía algo guardado, pero sus pretensiones de triunfo se difuminaron pronto, al tiempo que crecían las de Jorge Lorenzo.
Rossi plantó cara a Lorenzo hasta que su propulsor dijo basta. A partir de ahí, el mallorquín se postuló como el gran favorito a adjudicarse la carrera. Así terminó siendo, aunque no fue tan fácil como se preveía. La culpa la tuvo un crecido Marc Márquez que, una vez más, estuvo por delante de las prestaciones de su montura. El de Honda comenzó la prueba con cautela, pero poco a poco fue recuperando hasta situarse a la zaga de Jorge Lorenzo. Lo intentó Marc Márquez varias veces a final de recta, pero la verdadera lucha se desató en el último giro. El de Cervera y el mallorquín se pasaron y repasaron en una vuelta de infarto en la que finalmente, y de forma inesperada, salió vencedor Jorge Lorenzo. Sorprendentemente, Lorenzo superó por rebufo en plena recta de meta a Márquez y se adjudicó la victoria ¡por tan solo 19 milésimas! Andrea Iannone, tercero, completó el podio. El de Ducati arrancó fatal, fue de menos a más y solo en el tramo final pudo deshacerse de Andrea Dovizioso y de Dani Pedrosa para atar un nuevo cajón en la categoría reina.
La cuarta posición la ocupó precisamente Dani Pedrosa, que no pudo celebrar como le hubiera gustado su GP número 250. Andrea Dovizioso terminó quinto y Maverick Viñales sexto. Aleix Espargaró (noveno), Héctor Barberá (12º) y Pol Espargaró (15º) también puntuaron. Álvaro Bautista tuvo un percance en la primera curva y ni siquiera completó una vuelta.
En la clasificación general, Jorge Lorenzo continúa líder, ahora con 10 puntos de ventaja sobre Marc Márquez. Valentino Rossi sigue tercero, pero ya a 37 puntos de su compañero de garaje.
| POSICIÓN | PILOTO | MOTO | TIEMPO |
| 1 | Jorge LORENZO | YAMAHA | 41'36.535 |
| 2 | Marc MARQUEZ | HONDA | 0.019 |
| 3 | Andrea IANNONE | DUCATI | 4.742 |
| 4 | Dani PEDROSA | HONDA | 4.910 |
| 5 | Andrea DOVIZIOSO | DUCATI | 6.256 |
| 6 | Maverick VIÑALES | SUZUKI | 8.670 |
| 7 | Bradley SMITH | YAMAHA | 13.340 |
| 8 | Danilo PETRUCCI | DUCATI | 14.598 |
| 9 | Aleix ESPARGARO | SUZUKI | 18.643 |
| 10 | Michele PIRRO | DUCATI | 22.298 |
| 11 | Cal CRUTCHLOW | HONDA | 27.936 |
| 12 | Hector BARBERA | DUCATI | 35.712 |
| 13 | Eugene LAVERTY | DUCATI | 38.032 |
| 14 | Stefan BRADL | APRILIA | 40.094 |
| 15 | Pol ESPARGARO | YAMAHA | 59.811 |
| 16 | Yonny HERNANDEZ | DUCATI | 1'04.397 |
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