L'écart entre le peloton et le groupe des échappés monte jusqu’à 7 min 10 s (km 120). Au sprint intermédiaire de Béon, Goss devance Hutarovich et Sagan et reprend ainsi 5 points à ce dernier, le maillot vert. Dans l'ascension du col du Grand Colombier, l'échappée est rapidement réduite à 6 coureurs : Scarponi, Voeckler, Casar, Devenyns, Péraud et Sánchez, puis à la suite de l'attaque de Sánchez, elle est réduite à 4 coureurs : Sánchez, Scarponi, Voeckler et Devenyns. Voeckler passe en tête au sommet et prend ainsi la tête du classement de la montagne. Le groupe maillot jaune, réduit à environ 25 coureurs, passe au sommet avec 5 min 30 s de retard. Vincenzo Nibali (Liquigas-Cannondale) part dans la descente et obtient jusqu'à une minute d'avance sur le groupe maillot jaune avec l'aide de son coéquipier Sagan qu'il a rejoint mais il est repris à mi-pente dans le col de Richemond.
Après la descente du col de Richemond, les 4 coureurs de tête se préparent à la victoire d'étape mais ils sont rejoints de façon inattendue par Voigt à 9 km de l'arrivée. À 3 kilomètres, Devenyns attaque, il est poursuivi par Voigt et Voeckler. À 1 km, Voeckler attaque ses deux adversaires qui ne peuvent le suivre, il résiste à leur retour jusqu'à la ligne et remporte ainsi sa troisième victoire d'étape sur le Tour de France. Son coéquipier Pierre Rolland et Jurgen Van den Broeck (Lotto-Belisol) gagnent une trentaine de secondes sur le groupe maillot jaune. Bradley Wiggins (Sky) garde le maillot jaune.
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