Los italianos Andrea Dovizioso (Ducati Desmosedici GP17), Mattia Pasini (Kalex) y Andrea Migno (KTM) lograron un pleno de victorias en el Gran Premio de Italia de motociclismo que se disputó en el circuito de Mugello y que no se producía desde 2008. Entonces fueron Simone Corsi (Aprilia), en los 125 c.c., el fallecido Marco Simoncelli (Gilera), en los 250 c.c., y Valentino Rossi (Yamaha YZR M 1), en MotoGP, los que hicieron sonar por tres veces el himno de Mameli, coloquialmente conocido como "Fratelli d'Italia", el himno nacional italiano, en cuya segundo verso se anuncia: "Italia se ha despertado".

Dovizioso se adjudicó la victoria a pesar de haber sufrido una intoxicación alimentaria la noche anterior. Dovizioso apenas pudo dormir la noche anterior y para evitar un desgaste físico excesivo decidió no disputar los últimos entrenamientos libres de la matinal dominical, en los que sólo salió en la última vuelta para practicar la salida.

Valentino Rossi (Yamaha YZR M 1) salió como un disparo nada más apagarse el semáforo rojo, como también Marc Márquez (Repsol Honda RC 213 V) y Jorge Lorenzo (Ducati Desmosedici GP17), que salieron desde la segunda y tercera línea, respectivamente.

Aleix Espargaró (Aprilia RS GP) no estuvo tan afortunado y se vio penalizado con un paso por la calle de talleres al adelantarse al momento de apagarse el semáforo, lo que le relegó a la última plaza, desde la que intentó remontar: primero se salió de pista evitando la caída y poco después tuvo que tuvo que tomar el camino de talleres con problemas mecánicos.

La frenada de San Donato, al término de la primera vuelta, volvió a ser protagonista cuando Jorge Lorenzo por el interior superó tanto a Viñales como a Rossi, aunque se fue un poco largo y aguantó a la par con el italiano para superarlo en Luco, si bien poco después Rossi recuperó la primera posición.

Los adelantamientos resultaron una constante en esas primeras vueltas, siempre con Rossi como líder de la carrera, pero con Viñales, Lorenzo, Márquez y hasta Andrea Dovizioso (Ducati Desmosedici GP17) buscando un hueco por donde doblegar al rival.

Más atrás Dani Pedrosa (Repsol Honda RC 213 V), segundo en la tabla del Mundial al llegar a Mugello, no pudo rendir al mismo nivel que en los entrenamientos y en pocas vueltas se vio relegado a la décima plaza, que luego fue la duodécima, rodando casi un segundo más lento que la cabeza de carrera por vuelta, hasta que en la última se fue por los suelos. Pedrosa intentó superar al británico Cal Crutchlow (Honda RC 213 V) en un apurado interior, pero perdió por completo la adherencia en el tren delantero de su moto y se fue por los suelos llevándose por delante al inglés, que se lo recriminó con crudeza.

Al principio de la vuelta catorce se produjo un nuevo cambio de líder al aprovechar la velocidad máxima de su Ducati Andrea Dovizioso para entrar primero en San Donato y empezar a distanciarse. Dovizioso consiguió una ventaja tranquilizadora en las siguientes vueltas y Viñales, que fue de los pocos de delante que montó compuesto duro de neumáticos en ambas ruedas, esperó a poco menos de cuatro vueltas del final para superar a Petrucci e intentar, sin éxito, cazar al italiano. El piloto de Ducati se adjudicó la victoria en la misma por delante de Viñales y Petrucci y con Rossi en la cuarta posición. Marc Márquez no pudo con Álvaro Bautista y en esta ocasión tuvo que conformarse con la sexta plaza, con Jorge Lorenzo octavo.