Die Strecke führte in südöstlicher und südlicher Richtung durch die Départements Meurthe-et-Moselle, Vosges und Haute-Saône. Im ersten Drittel war das Profil noch überwiegend flach, bevor die Fahrer die Vogesen erreichten. Dem Tal der Vologne folgend, gelangten sie nach Gérardmer (762 m), wo der Zwischensprint ausgetragen wurde. Nach der ersten Bergwertung, dem Col de Grosse Pierre (954 m), querte die Strecke die Täler der Moselotte und der Mosel. Es folgten die zweite Bergwertung am Col du Mont de Fourche (620 m) und zwei weitere, unkategorisierte Anstiege. Nach der Passage von Plancher-les-Mines mussten die Fahrer den Schlussaufstieg nach Planche des Belles Filles bewältigen, der erstmals auf dem Programm der Tour stand.
182 Fahrer starteten zu dieser Etappe, nachdem acht aufgrund der Folgen des Massensturzes vom Vortag nicht mehr angetreten waren. Nach elf Kilometern versuchten 19 Fahrer sich vom Feld abzusetzen, wurden aber bald wieder eingeholt. Wenig später rissen sieben Fahrer aus dem Feld aus. Es handelte sich um die Franzosen Cyril Gautier und Christophe Riblon, den Schweizer Michael Albasini, den Spanier Luis León Sánchez, den Dänen Chris Anker Sørensen, den Slowaken Martin Velits und den Kasachen Dmitri Fofonow. Der Vorsprung dieser Gruppe pendelte sich bei knapp unter sechs Minuten ein.
Den Zwischensprint in Gérardmer entschied Gautier für sich; Schnellster des Feldes, das zu diesem Zeitpunkt 4:50 Minuten zurücklag, war Peter Sagan. Die Bergpreispunkte am Col de Grosse Pierre und am Col du Mont de Fourche holte sich jeweils Sørensen vor Sánchez. Aufgrund der Tempoverschärfung der Teams Garmin, BMC und Sky verringerte sich der Vorsprung der Ausreißer kontinuierlich. 20 Kilometer vor dem Ziel betrug dieser noch zwei Minuten. Fünf Kilometer vor dem Ende der Etappe, im unteren Teil der Schlusssteigung, wurde mit Sørensen der letzte Ausreißer gestellt.
Im Schlussaufstieg splitterte sich das Feld in zahlreiche kleine Gruppen auf. Mehrere prominente Fahrer konnten dem Tempo der Spitzengruppe nicht mehr folgen, darunter Ivan Basso, Fränk Schleck, Andreas Klöden und der Gesamtführende Fabian Cancellara. An der Spitze des Rennens hielt das Team Sky von Bradley Wiggins das Tempo hoch. Beim letzten, besonders steilen Kilometer lagen noch fünf Fahrer an der Spitze; neben Wiggins auch Cadel Evans, Chris Froome, Vincenzo Nibali und Rein Taaramäe. Als Erster erreichte Froome das Ziel, knapp vor Evans und Wiggins, während Nibali und Taaramäe etwas zurückfielen.
Da Cancellara mit 1:52 Minuten Rückstand (20. Platz) ins Ziel kam, übernahm Wiggins die Spitze des Gesamtklassements, während Froome das Gepunktete Trikot erhielt.
Amets Txurruka (Euskaltel-Euskadi): Aufgrund der Folgen eines Sturzes am Vortag nicht zur Etappe angetreten.
Ryder Hesjedal (Garmin-Sharp): Aufgrund der Folgen eines Sturzes am Vortag nicht zur Etappe angetreten.
Robert Hunter (Garmin-Sharp): Aufgrund der Folgen eines Sturzes am Vortag nicht zur Etappe angetreten.
Hubert Dupont (AG2R La Mondiale): Aufgrund der Folgen eines Sturzes am Vortag nicht zur Etappe angetreten.
Maarten Wijnants (Rabobank Cycling Team): Aufgrund der Folgen eines Sturzes am Vortag nicht zur Etappe angetreten.
