Ennesima impresa di Valentino Rossi che aveva chiuso le libere 3 all'ottavo posto ma in qualifica riesce a inventarsi il giro magico. Non partiva primo al Mugello dal 2008 e quest'anno sono già due pole position proprio come lo specialista Jorge Lorenzo. Un grazie va anche a Maverick Vinales con cui il pesarese ha fatto coppia fissa per tutte le qualifiche. Al primo tentativo è lo spagnolo a inseguire da vicino il numero 46 che però si mantiene su tempi alti. Alla seconda uscita invece è Rossi a sfruttare la scia dell'avversario, un vero e proprio traino di Vinales che porta Valentino a mettere a segno il giro perfetto. Il pilota della Suzuki quasi riesce a strappargli la pole nella tornata successiva ma il suo tempo si ferma a 94 millesimi dal pesarese.

Un'altra coppia vista in qualifica è quella formata da Andrea Iannone e il suo successore sulla Ducati Jorge Lorenzo. Il pilota italiano tenta nelle prime due uscite di trarre vantaggio dalle traiettorie disegnate dallo spagnolo, ma alla fine non riesce il colpaccio dell'anno scorso. La dura legge del Mugello colpisce gli spagnoli favoriti, per la prima volta in questa stagione Marquez e Lorenzo non partono dalla prima fila. A loro toccherà l'arduo compito di star dietro al ritmo forsennato che Rossi, Vinales e Iannone riescono a esprimere su questo tracciato. Le indicazioni delle libere 4 dicono che sono loro ad avere il passo migliore. L'altra Suzuki di Espargaro ottiene la seconda fila, mentre Pedrosa e Petrucci partiranno dalla terza. A parte Iannone le Ducati hanno deluso anche a causa dell'asfalto molto caldo, Andrea Dovizioso  non è riuscito neanche a qualificarsi per la Q2 e domani inizierà la gara dalle retrovie.