Dans l'étape menant vers La Toussuire, c'est une échappée d'une trentaine de coureurs qui aborde les premières pentes du col de la Madeleine. Cependant, les pentes du col ont vites faits de faire le tri dans les coureurs ; ainsi, la course s'organise entre un groupe de tête de 7 coureurs, suivis par plusieurs groupes de poursuivants, le peloton explose également, avec la formation d'un gruppetto où l'on retrouve entre-autres Tyler Farrar et Mark Cavendish. À l'avant, les poursuivants contre-attaques et grossissent progressivement le groupe de tête qui atteint le nombre maximal de 28 coureurs où l'on retrouve Moinard (BMC), Horner (RNT), Kern (EUC), Malacarne (EUC), Rolland (EUC), Izagirre (EUS), Scarponi (LAM), Marzano (LAM), Basso (LIQ), Koren (LIQ), Martin (GRS), Kadri (ALM), Riblon (ALM), Bouet (ALM), Feillu (SAU), Hoogerland (VCD), Trofimov (KAT), Kruijswijk (RAB), Ten Dam (RAB), Valverde (MOV), Kyryienka (MOV), Sorensen (STB), Kessiakoff (AST), Keserlovski (AST), Vinokourov (AST), Leipheimer, Velits (OPQ) et Weening (ARG). Peter Velits passe en tête au col de la Madeleine, devançant une échappée dont le rythme est défini par les coureurs de l'équipe Europcar qui franchit le col avec 2 min 55 s d'avance sur le groupe Maillot jaune.
Peu avant le sommet du col de la Madeleine, Peter Sagan attaque et tente de rejoindre le groupe des échappées dans la descente à l'aide d'un coéquipier, dans l'espoir de gagner des points au sprint intermédiaire, mais l'avance du groupe de tête est trop importante et le coureur slovaque abandonne. Velits et Kessiakoff tentent de creuser l'écart avec les échappés, mais sont rattrapés dans l'ascension du col de la Croix de Fer. Le groupe de tête se disperse en raison du rythme soutenu imposé par Christophe Kern et n'est plus réduit qu'à 7 coureurs. Pierre Rolland tente de passer en tête du col, mais est devancé par Kessiakoff. Dans cette ascension, Cadel Evans attaque, mais ne parvient pas à contrer durablement le rythme soutenu des Sky (20 s d'écart maximal) et est absorbé dans le groupe maillot jaune, réduit à moins de 10 coureurs, à 5 km du sommet. Dans la montée du col du Mollard, la tête de la course est réduite à Rolland, Kiryienka et Kiserlovski, pris en chasse par Sorensen qui rejoint le trio dans le bas de la descente du col, franchit en premier par Pierre Rolland. Dans cette descente, le coureur français chute à 26 km de l'arrivée, mais sans gravité, et rejoint rapidement ses compagnons d'échappée.
Dans la montée finale vers La Toussuire, les échappés disposent encore de 3 minutes d'avance sur le groupe maillot jaune. Pierre Rolland tente plusieurs attaques pour contrer le retour inéluctable de ce dernier et réussi à partir seul à l'avant à 11 km de l'arrivée. Dans le groupe maillot jaune, Vincenzo Nibali part à l'attaque, à la suite de l'attaque de Jurgen van den Broeck, Thibaut Pinot et Janez Brajkovic. Le quatuor est cependant rejoint par un groupe maillot jaune qui lâche Cadel Evans et Tejay van Garderen. Christopher Froome se lance à son tour à l'attaque, seul Pinot parvient à le suivre, mais le coureur britannique doit briser son élan pour attendre son leader Bradley Wiggins qui n'a pas pu suivre, laissant le jeune français seul en chasse vers la tête de la course. Pierre Rolland parvient seul sur l'arrivée avec plus de 55 secondes sur ses poursuivants, où Froome et Pinot font le sprint pour la seconde place.