Az összeesküvés-elméletek kedvelői dörzsölhették a tenyerüket, hiszen Rossi leendő csapattársa segítségével - pontosabban az ő szélárnyékával - nyerte az edzést, nyomában az őt prímán felvezető Vinalesszel és Iannonéval. A rajtnál azonban alaposan felborult az erősorrend, mivel Lorenzo jött el elsőként az ötödik helyről, sarkában a másik yamahással, illetve Aleix Espargaróval.
Rossi többször próbálta támadni csapattársát, ám az előzésig nem jutott el, pedig a pálya középső részén egyértelműen látszott, hogy gyorsabb nála. Féltávhoz közeledve szokatlan esemény sokkalta a helyi közönséget: Rossi motorja egyszerűen elfüstölt, csakúgy, mint Lorenzóé a vasárnapi bemelegítés során. Kiesése után Lorenzo, Marquez, Dovizioso sorrend alakult ki, majd később Iannone zárkózott a dobogóra, beelőzve egyre lassuló csapattársát, míg az utolsó körben Marquez szúrt be Lorenzo mellé, és pár kanyar alatt néhány motornyi előnyt épített ki.
Az ezt követő adok-kapok a GP legszebb korszakát idézte, mintha csak egy 125-ös verseny lenne, kanyarról-kanyarra cserélt gazdát az első hely, és a célegyenesre Marquez fordulhatott az élen. Úgy tűnt, innen már senki nem veheti el a győzelmét, de Lorenzo remek kigyorsítással utolérte, és a szélárnyékot kihasználva 0,019 (!) másodperccel be is előzte honfitársát.
Győzelmével Lorenzo a tabellán is vezet, tíz ponttal megelőzve Marquezt, míg a balszerencsés Rossi már tetemes, 37 pontos lemaradásban követi őket a júniusi katalán nagydíj előtt.
Végeredmény - MotoGP - Mugello:
1. Jorge LORENZO - 41'36.535
2. Marc MARQUEZ - +0.019
3. Andrea IANNONE - +4.742
4. Dani PEDROSA - +4.910
5. Andrea DOVIZIOSO - +6.256
6. Maverick VIÑALES - +8.670
7. Bradley SMITH - +13.340
8. Danilo PETRUCCI - +14.598
9. Aleix ESPARGARO - +18.643
10. Michele PIRRO - +22.298