È durata solo metà gara l'illusione per Thomas Lüthi di poter conquistare il GP d'Italia. Sul circuito del Mugello, il centauro elvetico ha iniziato al comando, ma col passare dei giri Alex Marquez lo ha rimontato e si è involato da solo verso il successo. Il bernese, poi superato anche da Luca Marini, è comunque riuscito a salire per la 60a volta in carriera sul podio, salvando il terzo posto dalla rimonta di Lorenzo Baldassarri, rimasto leader del Mondiale con due punti di vantaggio su Marquez e quattro su Lüthi. Niente punti per l'altro svizzero al via, Dominique Aegerter, che ha concluso 17o.
Nella Moto3 è arrivata una doppietta italiana con Tony Arbolino, alla prima vittoria, e Lorenzo Dalla Porta. Sul podio di giornata è salito anche lo spagnolo Jaume Masia.