Obwohl Jorge Martin im Moto3-Qualifying die schnellste Zeit vorgelegt hatte, durfte am Sonntag John McPhee von Platz 1 starten. Martin wurde um zwölf Startplätze zurückversetzt, weil er im FP3 auf Windschatten wartete. Manuel Pagliani und Kaito Toba wurden ebenfalls mit dieser Strafe belegt. Mit McPhee standen dann WM-Leader Joan Mir und Fabio Di Giannantonio in Reihe 1. Der deutsche Moto3-Pilot Philipp Öttl fuhr von der 16. Position los. Start: Pole-Setter John McPhee fällt am Start zurück, Fabio Di Giannantonio stürmt auf Platz 1. Runde 1: Di Giannantonio führt vor Romano Fenati, Tatsuki Suzuki aus dem Team von Paolo Simoncelli und WM-Leader Joan Mir. McPhee liegt nur noch auf dem fünften Rang. Philipp Öttl reiht sich nur auf Platz 20 ein. Runde 2: Di Giannantonio prescht vor Suzuki, Fenati, Mir, McPhee und Martin, der von Platz 13 losgefahren war, über die Ziellinie. Bester KTM-Pilot ist Marcos Ramirez auf Platz 7. Fenati setzt sich in Führung, Martin rückt auf Platz 3 vor. Runde 4: KTM-Pilot Marcos Ramirez stürmt als Führender über die Ziellinie. Doch Jorge Martin verdrängt ihn umgehend. Runde 6: Fenati führt vor Di Giannantonio (Honda), Darryn Binder (KTM) und Joan Mir (Honda), der in der Gesamtwertung mit 34 Punkten Vorsprung in den Mugello-GP ging. Öttl hat sich auf Platz 17 nach vorne gearbeitet. Runde 9: Fabio Di Giannantonio führt vor Fenati, Ramirez, Binder, McPhee, Martin, Migno, Mir, Suzuki und Bendsneyder. Öttl ist auf Platz 16 unterwegs. Die Führungsgruppe reicht bis Platz 25. Runde 10: Fenatis Rivacold-Teamkollege Jules Danilo stürzt auf Platz 18 liegend in Kurve 5. Darryn Binder führt vor Marcos Ramirez, Fabio Di Giannantonio, John McPhee und Romano Fenati. Runde 12: WM-Leader Joan Mir schnuppert Führungsluft vor Binder, Suzuki, McPhee, Ramirez und Fenati. Öttl fiel von Platz 13 auf 15 zurück. Runde 15: Nun führt KTM-Pilot Nicolò Bulega das Moto3-Feld vor Di Giannantonio, Binder, McPhee, Mir, Ramirez und Fenati an. Philipp Öttl ist nun Zwölfter. Runde 16: Die Windschattenduelle würfeln das Feld immer wieder durcheinander. Philipp Öttl ist nun Siebter hinter Migno, Suzuki, Rookie Sasaki, Guevara, Ramirez und Binder. Runde 18: Philipp Öttl ist nun Zweiter hinter Fabio Di Giannantonio. Beide jagen ihren ersten Sieg in der Moto3-WM. Öttl schnappt sich die Führung. Runde 19: Auf der Gerade schießen einige Gegner an Öttl vorbei. Der KTM-Pilot aus dem Team Südmetall Schedl GP Racing ist nun Siebter. Di Giannantonio liegt auf Platz 1 vor Guevara, Canet und McPhee. Letzte Runde: Migno führt seinen Heim-GP vor Di Giannantonio, Binder, Canet und Ramirez an. Öttl ist auf Platz 13 zurückgefallen. Albert Arenas stürzt mit der Mahindra. Ziel: Andrea Migno sichert seinen ersten Moto3-Sieg mit 0,037 sec Vorsprung auf Fabio Di Giannantonio. Damit sorgte der Lokalmatador aus dem VR46-Team nicht nur für seinen ersten GP-Sieg, sondern auch für den ersten Saisonsieg für KTM in der Moto3-Klasse. Hinter Migno und Di Giannantonio folgten Juanfran Guevara (KTM), der erstmals auf dem Podest stand, Darryn Binder (KTM), Aron Canet (Honda), John McPhee (Honda), WM-Leader Joan Mir (Honda) und Ayumu Sasaki (Honda). Philipp Öttl überquerte die Ziellinie auf der 14. Position. Die Red Bull KTM-Piloten Bo Bendsneyder und Niccolò Antonelli enttäuschten mit den Plätzen 12 und 16. Bester Mahindra-Pilot war Rookie Marco Bezzecchi aus dem CIP-Team auf Platz 17. Der WM-Stand: Joan Mir 108 Punkte vor Aron Canet -34, Fabio Di Giannantonio -37, Romano Fenati -40, Andrea Migno -40 und John McPhee -45.