Már a Q1-ben is nagy nevek gurultak pályára a MotoGP Olasz Nagydíjának időmérőjén: a szabadedzések összesítése alapján Andrea Doviziosónak, Valentino Rossinak, Alex Rinsnek és Jorge Lorenzónak is jelenése volt az etapban. Nem szabadott leírni még a Ducati szabadkártyásként szereplő tesztmotorosát, Michele Pirrót sem, aki az első körök után remek idővel vezetett. Végül ki is harcolta a továbbjutást, miután a fináléban csak Dovizioso előzte meg őt öt ezredmásodperccel. Az összetettben jól állók közül Rins a 13., Rossi pedig csak a 18. helyre kvalifikálta magát – ennél hátrébbról csak büntetés miatt rajtolt karrierje során –, míg Lorenzo a 17. pozícióból startolhat majd, Johann Zarco pedig egy nagy tempójú kicsúszással zárta a negyedórás tréninget.
A Q2 elején Marc Marquez rögtön bemutatott egy elég kemény előzést Doviziosóval szemben, a vezetést azonban nem ő, hanem Fabio Quartararo ragadta magához: a Petronas Yamaha SRT franciája rögtön két pályacsúccsal nyitott, ő lett az első, aki 1:45-ös körre volt képes Mugellóban. A hajrában azonban hiába javított tovább az újonc, a Dovizioso szélárnyékát is kihasználó Marquez 1:45,5-ös időt repesztett, ezzel pedig elhappolta a pole-t Quartararo elől. Az első sort Danilo Petrucci teszi teljessé vasárnap, a másodikba pedig Franco Morbidelli, Jack Miller és Cal Crutchlow kvalifikálta magát. Maverick Vinales a hetedik, Dovizioso a kilencedik helyen zárt, a KTM-mel az edzéseken remeklő Pol Espargaro végül nem fért be a top 10-be.
Az időmérő edzés összesített végeredménye:
| 1. | Marc MARQUEZ | SPA | Repsol Honda Team | Honda | 1'45.519 | |
| 2. | Fabio QUARTARARO | FRA | Petronas Yamaha SRT | Yamaha | 1'45.733 | 0.214 / 0.214 |
| 3. | Danilo PETRUCCI | ITA | Mission Winnow Ducati | Ducati | 1'45.881 | 0.362 / 0.148 |
| 4. | Franco MORBIDELLI | ITA | Petronas Yamaha SRT | Yamaha | 1'45.959 | 0.440 / 0.078 |
| 5. | Jack MILLER | AUS | Pramac Racing | Ducati | 1'46.029 | 0.510 / 0.070 |
| 6. | Cal CRUTCHLOW | GBR | LCR Honda CASTROL | Honda | 1'46.079 | 0.560 / 0.050 |
| 7. | Maverick VIÑALES | SPA | Monster Energy Yamaha MotoGP | Yamaha | 1'46.181 | 0.662 / 0.102 |
| 8. | Francesco BAGNAIA | ITA | Pramac Racing | Ducati | 1'46.260 | 0.741 / 0.079 |
| 9. | Andrea DOVIZIOSO | ITA | Mission Winnow Ducati | Ducati | 1'46.293 | 0.774 / 0.033 |
| 10. | Takaaki NAKAGAMI | JPN | LCR Honda IDEMITSU | Honda | 1'46.387 | 0.868 / 0.094 |
| 11. | Pol ESPARGARO | SPA | Red Bull KTM Factory Racing | KTM | 1'46.433 | 0.914 / 0.046 |
| 12. | Michele PIRRO | ITA | Mission Winnow Ducati | Ducati | 1'46.638 | 1.119 / 0.205 |
| Nem jutott be a Q2-be: | ||||||
| 13. | Alex RINS | SPA | Team SUZUKI ECSTAR | Suzuki | 1'46.539 | |
| 14. | Tito RABAT | SPA | Reale Avintia Racing | Ducati | 1'46.678 | |
| 15. | Aleix ESPARGARO | SPA | Aprilia Racing Team Gresini | Aprilia | 1'46.899 | |
| 16. | Karel ABRAHAM | CZE | Reale Avintia Racing | Ducati | 1'47.028 | |
| 17. | Jorge LORENZO | SPA | Repsol Honda Team | Honda | 1'47.135 | |
| 18. | Valentino ROSSI | ITA | Monster Energy Yamaha MotoGP | Yamaha | 1'47.184 | |
| 19. | Johann ZARCO | FRA | Red Bull KTM Factory Racing | KTM | 1'47.394 | |
| 20. | Joan MIR | SPA | Team SUZUKI ECSTAR | Suzuki | 1'47.519 | |
| 21. | Hafizh SYAHRIN | MAL | Red Bull KTM Tech 3 | KTM | 1'48.222 | |
| 22. | Miguel OLIVEIRA | POR | Red Bull KTM Tech 3 | KTM | 1'48.235 | |
| 23. | Andrea IANNONE | ITA | Aprilia Racing Team Gresini | Aprilia | 1'48.303 | |
