Kurz nach dem Start bildeten sich zwei Ausreißergruppen, die sich nach etwa fünf Kilometern zu einer 31 Fahrer umfassenden Gruppe zusammenschlossen. Der Rückstand des Feldes am Anfang des Aufstiegs zum Col de la Madeleine betrug rund eine Minute; während einige Fahrer aus der Spitzengruppe zurückfielen, schlossen andere zu ihr auf. Zur schließlich 28-köpfigen Spitzengruppe gehörten unter anderem Pierre Rolland, Michele Scarponi, Ivan Basso, Alejandro Valverde, Wassil Kiryjenka, Fredrik Kessiakoff, Chris Anker Sørensen, Alexander Winokurow, Levi Leipheimer und Peter Velits. Die erste Bergwertung der Hors Catégorie entschied Velits vor Kessiakoff für sich. Das Feld mit den Gesamtersten folgte mit 2:55 Rückstand.
Velits und Kessiakoff, die um die Bergwertung gesprintet waren, führten in der Abfahrt mit rund 50 Sekunden Vorsprung auf die übrigen Ausreißer. Im anschließenden Flachstück im Tal schlossen Rolland, Scarponi, Valverde, Juri Trofimow und Robert Kišerlovski zu ihnen auf. Den Zwischensprint gewann Kessiakoff vor Velits. Zu Beginn des Aufstiegs zum Col de la Croix de Fer formierte sich an der Spitze eine Gruppe mit 15 Fahrern. Im Aufstieg fielen einige Fahrer wieder aus dieser Gruppe heraus, die einen Vorsprung von 4:15 Minuten auf das ebenfalls kleiner werdende Hauptfeld aufwies. Aus dieser versuchte Cadel Evans auszureißen, doch er kam nicht entscheidend weg, da das Sky-Team um Bradley Wiggins für ein konstant hohes Tempo sorgte. Fünf Kilometer vor der Passhöhe wurde Evans wieder eingeholt. Die Passhöhe überquerte Kessiakoff als Erster, gefolgt von Rolland.
Im Aufstieg zum Col du Mollard bildete sich einer Dreier-Spitzengruppe, bestehend aus Rolland, Kišerlovski und Kiryjenka. Rolland war es auch, der als Erster die Passhöhe überquerte. Wenige Kilometer später holte Sørensen die Spitzengruppe wieder ein. Etwa zwölf Kilometer vor dem Ziel griff Rolland an und ließ seine Begleiter hinter sich, woraufhin er seinen Vorsprung kontinuierlich ausbauen konnte. Zu Beginn des Schlussaufstiegs lag die Gruppe um den Gesamtführenden Wiggins etwa drei Minuten zurück. Aus dieser Gruppe heraus versuchte Vincenzo Nibali zweimal vergeblich auszureißen. Eine Tempoverschärfung von Wiggins und seines Teamkollegen Chris Froome führte dazu, dass Evans den Anschluss verlor und zurückfiel.
Eine weitere Attacke von Froome viereinhalb Kilometer vor dem Ziel hatte zur Folge, dass Wiggins kurzzeitig nicht mithalten konnte, woraufhin Froome sein Tempo verringerte, um den Teamkapitän wieder aufschließen zu lassen. Dennoch konnte diese Gruppe die übrigen verbliebenen Ausreißer nach und nach einholen – bis auf Rolland, der sich solo den Etappensieg sicherte. Während die Gruppe um Wiggins mit 55 Sekunden Rückstand ins Ziel kam, verlor Evans 2:23 Minuten auf den Sieger. In der Gesamtwertung rückten Froome und Nibali auf Kosten Evans um einen Rang nach vorne. Fredrik Kessiakoff, der mit über 13 Minuten Rückstand ins Ziel kam, holte sich die Führung im Bergpreisklassement zurück, die er vorübergehend an Thomas Voeckler hatte abgeben müssen.