Các khán giả tại đường đua Mugello thất vọng khi ở vòng 8 do lỗi động cơ Valentino Rossi phải bỏ cuộc. Đã rất lâu rồi Rossi mới giành pole ở chặng đua tại quê nhà nhưng ngay ở vòng một anh đã để Lorenzo vượt lên. Rossi nhiều lần cố vượt qua đồng đội nhưng Lorenzo làm chủ thắng xe rất tốt để bảo vệ ngôi đầu sau mỗi khúc cua. 

Đến vòng tám, động cơ của xe Rossi bắt đầu trục trặc. Anh rơi xuống thứ chín rồi bỏ cuộc khi có khói bốc lên. Người hâm mộ Rossi chứng kiến thần tượng cúi đầu đi vào pit còn tay đua kỳ cựu thốt lên: "Thật đáng xấu hổ. Bạn luôn trông thật đáng thương khi chiếc xe có vấn đề trên đường đua nhưng mọi thứ thậm chí tồi tệ hơn trước đám đông tại Mugello". 

GP Italy: Lorenzo giành chiến thắng kịch tính
Màn tranh tài giữa Lorenzo (xanh) và Marquez.

Màn đấu đá giữa hai tay đua Yamaha là cơ hội để Marc Marquez chen chân vào nhóm dẫn đầu. Tay đua của đội Repsol Honda dần thu hẹp khoảng cách với Lorenzo khi một nửa số vòng đua trôi qua. Màn so tài giữa hai tay đua người Tây Ban Nha không phải là cuộc đấu đá duy nhất mà khán giả được chứng kiến tại Mugello.

Sau khởi đầu bết bát, Andrea Iannone (Ducati) dần vươn lên rồi chiếm vị trí thứ ba của đồng đội Andrea Dovizioso ở vòng 17. Dovizioso phản kháng, lấy lại vị trí mà anh đã giữ từ sau khi Rossi bỏ cuộc. Tuy nhiên, sai lầm khiến tay đua vừa được Ducati gia hạn hợp đồng rơi lại phía sau, mất cơ hội đứng trên bục nhận thưởng. Dovizioso về thứ năm còn Iannone về thứ ba, xen giữa họ là Dani Pedrosa.

Ở vòng 20, Marquez bắt đầu tấn công Lorenzo nhưng không thành. Tay đua của Honda cuối cùng cũng chiếm được ngôi đầu khi bước vào vòng chót. Marquez đến gần chiến thắng khi rời khúc cua cuối cùng nhưng xe của anh có vẻ gặp vấn đề ở bánh trước. Lorenzo chớp thời cơ, vượt lên và cán đích với thành tích 41 phút 36,535 giây, chỉ hơn Marquez 0,019 giây. Pedrosa và Iannone cũng ganh đua quyết liệt cho vị trí thứ ba ở vòng cuối. Tay đua Ducati là người thắng cuộc, về trước đối thủ 0,168 giây.

Chiến thắng này giúp Lorenzo nâng cách biệt với Marquez lên 10 điểm, xếp tiếp theo là Rossi nhưng kém đồng đội đến 37 điểm. Andrea Iannone về thứ 3 tại giải này những lập kỷ lục tốc độ cao nhất của MotoGP ở chặng này với vận tốc 354,9 km/h.