Dopo il passaggio della maglia rossa da Dennis a Kwiatkowski la Vuelta riparte dalla terza tappa, un percorso con molte insidie soprattutto nel primo tratto, dove tra Puerto de Madrono e Puerto del Viento i corridori saranno chiamati ad affrontare due salite non semplici in avvio di frazione. Il tratto finale, negli ultimi 50 km, si presta però alla volata per le grandi speranze azzurre con Elia Viviani e Matteo Trentin. Pronti via e sono sei i corridori che cercano il primo attacco: Peters, Rolland, Simon, Molina, Mate e Saez si staccano subito regalandosi dopo pochi chilometri un margine di 1'30" che arriva a toccare i 4' dopo poco più di un'ora di corsa. Le velocità restano molto alte e anche il gruppo della maglia rossa inizia ad accelerare il passo rubando qualcosa quando la salita di Puerto del Madrono sta per toccare la sua parte più alta. Mate e Rolland continuano a stupire, il primo in particolare consolidando il primato nella classifica degli scalatori. Il vantaggio dei fuggitivi si riduce sensibilmente subito dopo e nel gruppone si nota il buon momento di Viviani. Il sestetto iniziale si stabilizza attorno al minuto e mezzo gestendo il vantaggio oramai esiguo, alle spalle si risparmiano le energie per preparare l'arrivo in volata. Wallays, Postlberger, Gougeard e Campenaerts riducono il ritardo a una manciata di secondi, con l'ultimo che sembra determinato nel volersi impossessare della maglia rossa fino alla caduta in curva a pochi chilometri dal traguardo. Postlberger cerca la fuga, Gougeard prova a seguirlo ma viene immediatamente ripreso. Trentin, Viviani e Sagan intanto tornano in gruppo quando parte l'ultimo chilometro. Nizzolo a sorpresa sembra crederci, ma deve accontentarsi di un secondo posto: Viviani è straordinario e negli ultimi 100 metri va a vincere in volata. Al terzo posto Sagan, quarto Bouhanni.