A rajtrácson végignézve Dani Pedrosát találhattuk a pole pozícióban. A spanyol utoljára a tavalyi szezonzárón tudta megszerezni a legjobb rajthelyet. Dani most triplázásra készült, a karrierjében második alkalommal volt meg erre a lehetősége. Tavaly Aragónba, Motegiben és Sepangban is nyerni tudott, ebben a szezonban pedig most a jerezi és le mans-i győzelme után állt be a mugellói rajtrács pole-jába. A kvalifikáción 69 ezreddel volt nála lassabb az amúgy elég gyorsnak tűnő Jorge Lorenzo, a yamahás számára ez a 15. egymás utáni alkalom, amikor az első rajtsorból indulhat, így jó formát feltételezhettünk tőle, pláne, hogy az előző két mugellói nagydíjat az élen zárta. Egyébként az Olasz Nagydíj előtt Lorenzo és Pedrosa is 24 futamgyőzelemmel állt a királykategória örökranglistáján. Az első sor végéről Andrea Dovizioso vághatott neki a 23 körös versenytávnak, Le Mans-ban is innen indult az olasz, de a hazai pályáján ez még inkább különleges, főleg a Ducatival. 2009 óta ő lehet az első ducatis, aki Mugellóban fel tud érni a dobogóra. Az első hármas előre és hátulra is a közepes keverékű abroncsot rakatta fel.
A második sor első helyére Cal Crutchlow gurulhatott be, Stefan Bradl és Marc Marquez mellé, így a britnek egyáltalán nem volt könnyű dolga a rajtnál, csupa kemény fickóval volt körülvéve, pláne hogy mögüle startolt a helyi hős, Valentino Rossi. A kvalifikáción szombaton Nicky Hayden szerezte meg a jogot a nyolcadik rajthelyre, míg a harmadik sor utolsó posztja Alvaro Bautistáé volt. A legjobb CRT-s versenyző Aleix Espargaro lett, de most csak egy prototípus motort megelőzni az időmérő edzésen, így a tizenkettedik rajthelyről várta a vörös lámpák kialvását.

Az időjárás előrejelzések ezen a hétvégén teljes csődöt mondtak, az ígért esőnek híre-hamva sem volt a rajtnál, a nap sütött, csak néhány bárányfelhő törte meg a fényét pár alkalommal, a hőmérsékleti adatok pedig egyre magasabb értékeket vettek fel.
A 76326 néző előtt Pedrosa kapta el a legjobban a rajtot, de az első kanyar féktávját elrontotta, így pedig bár nagyon kemény manőver kellett hozzá, de Lorenzo visszatámadott. Marc Marquez sem tötymörögte el a rajtot, Pedrosa mögé állt be az első kanyar kigyorsításán, és jól vette fel az első két helyezett tempóját. Valentino Rossi számára csak pár kanyaron át tartott ez a nagydíj, ő az éppen kicsúszó Alvaro Bautista áldozata lett, az olasz kirongyolt a kavicságyba, és csúnyán beleütközött a bukótér végét szegélyező gumifalba.
Két kör alatt Lorenzo, Pedrosa és Marquez megléptek az élen, már Crutchlow volt a negyedik, Doviziosót előzte meg a brit, és a ducatisra pedig nagyon jött Stefan Bradl is. A német nem várt sokáig az előzéssel, hamar fellépett az ötödik helyre a célegyenesben, nem is engedhette meg magának, hogy nagyon messzire ellépjen tőle Crutchlow, aki már egy ideje átlépte Dovit.

A hatodik fordulót követően Lorenzo alatt már nagyon forró volt a talaj. A két repsolos úgy követte a gyári Yamaha versenyzőjét, mint a hiénák, így pedig egy pillanatra sem engedhetett ki, mindent ki kellett facsarnia a csomagból.
Tizennégy körrel a vége előtt megkaptuk azt az információt is, hogy Bautista és Rossi afférja a versenybíróság elé került. Ezután Jorge Lorenzo tempója egyre inkább elvált Pedrosáétól és Marquezétől, ezt gyönyörű ütemben szagolta ki a yamahás, és egy egyéni legjobb kört kivágva egy forduló alatt egy másodperc fölé tornázta az előnyét. Pedrosának erre hirtelen nem is volt válasza, inkább Marquez tűnt egyre fenyegetőbbnek rá nézve. Ekkor azonban még mindig hátra volt tíz kör, és Crutchlow is több mint fél másodperccel ment a repsolosoknál jobb köröket. Közben a hajrát elindítva Nicky Hayden gyűrte le a csapattársát a hatodik helyezésért. Ekkora Jorge Lorenzo győzelme gyakorlatilag biztossá vált.
Marquez öt körrel a leintés előtt szánta el magát a csapattársa megelőzésére. Az újonc hosszas előkészítő munka után csapott oda a csapattársának. A tempója is megvolt és még ideje is maradt ahhoz, hogy nyugodtan, egy tiszta manővert bemutatva előzze meg Pedrosát, így nagyon okosan bánt el a csapattársával. Ezalatt a Ducati gyári versenyzői is keményen osztották egymást, mindezzel az ezredekkel előttük haladó Braldlnek tették a legjobbat, aki végül egy pillanatra sem tudott elszakadni tőlük.

Már csak három kör volt hátra, amikor Marc Marquezt végleg utolérték az újoncok pechszériája. Hiába tudta könnyedén megelőzni Pedrosát, elcsúszott, így pedig teljes kudarccal zárta az olasz versenyhétvégét, ráadásul a ponttáblázatban is óriási teret vesztett a többiekkel szemben. Marc ezen a hétvégén négyszer esett el, és ebben a szezonban most fordult elő vele először, hogy nem tudott a pódiumon végezni.
Az utolsó körre a dobogós helyezések sorsa végképp lefutottnak tűntek, a negyedik helyért azonban még óriási csata dúlt Stefan Bradl valamint Andrea Dovizioso között. Lorenzo nyert, Pedrosa lett a második, Crutchlow ismét felállhatott a dobogóra. Az LCR Honda motorosa, Stefan Bradl megismételte a tavalyi teljesítményét, végül elbírt Dovizisóval, aki az utolsó körben még oda tudott szúrni a németnek. Az ötödik, hatodik, hetedik pozíciókban a gyári Ducati versenyzői értek célba, a legjobb CRT-s ezúttal is Aleix Espargaro lett, Bradley Smith-t éppencsak megelőzve. Andrea Iannone csak a tizenharmadik helyen ért célba.
A futam végeredménye:
| 1 | Jorge LORENZO | Yamaha Factory Racing | Yamaha | 41:39.733 |
| 2 | Dani PEDROSA | Repsol Honda Team | Honda | +5.400 |
| 3 | Cal CRUTCHLOW | Monster Yamaha Tech 3 | Yamaha | +6.412 |
| 4 | Stefan BRADL | LCR Honda MotoGP | Honda | +19.321 |
| 5 | Andrea DOVIZIOSO | Ducati Team | Ducati | +19.540 |
| 6 | Nicky HAYDEN | Ducati Team | Ducati | +26.321 |
| 7 | Michele PIRRO | Ducati Test Team | Ducati | +38.144 |
| 8 | Aleix ESPARGARO | Power Electronics Aspar | ART | +39.802 |
| 9 | Bradley SMITH | Monster Yamaha Tech 3 | Yamaha | +40.243 |
| 10 | Hector BARBERA | Avintia Blusens | FTR | +48.392 |
| 11 | Randy DE PUNIET | Power Electronics Aspar | ART | +48.480 |
| 12 | Danilo PETRUCCI | Came IodaRacing Project | Ioda-Suter | +1:13.708 |
| 13 | Andrea IANNONE | Energy T.I. Pramac Racing | Ducati | +1:14.601 |
| 14 | Colin EDWARDS | NGM Mobile Forward Racing | FTR Kawasaki | +1:21.249 |
| 15 | Karel ABRAHAM | Cardion AB Motoracing | ART | +1:25.738 |
| 16 | Yonny HERNANDEZ | Paul Bird Motorsport | ART | +1:27.339 |
| 17 | Michael LAVERTY | Paul Bird Motorsport | PBM | +1:27.758 |
| 18 | Bryan STARING | GO&FUN Honda Gresini | FTR Honda | +1:44.424 |
| 19 | Lukas PESEK | Came IodaRacing Project | Ioda-Suter | +1:45.227 |
Helyezetlen:
| Marc MARQUEZ | Repsol Honda Team | Honda |
| Claudio CORTI | NGM Mobile Forward Racing | FTR Kawasaki |
| Hiroshi AOYAMA | Avintia Blusens | FTR |
| Valentino ROSSI | Yamaha Factory Racing | Yamaha |
| Alvaro BAUTISTA | GO&FUN Honda Gresini | Honda |