Jazdec stajne Dimension Data zvládol najlepšie záverečné stúpanie do horského strediska La Covatilla a 200,8 km dlhú trasu z Talavera de la Reina vyhral za 5:30:38 h. Na druhom mieste finišoval Holanďan Bauke Mollema z Trek-Segafredo a tretí skončil Belgičan Dylan Teuns z BMC. Pelotón sa v nedeľu dostal opäť do hôr, kde na neho čakali až štyri vrchárske prémie. Po 37 km prišlo stúpanie na Puerto del Pico prvej kategórie (15,3 km, 5,5%), nasledovali prémie Alto de Gredos 3. kategórie (10,1 km, 3,7%), Puerto de Pena Negra 2. kategórie (13 km, 4,5%) a na záver Alto de La Covatilla. Stúpanie najvyššej kategórie do cieľa v nadmorskej výške 1965 m bolo dlhé 9,8 km s priemerným sklonom 7,1%, no v niektorých úsekoch vyše 12% a maximom dokonca 16%.
Krátko po štarte sa odtrhla jedenásťčlenná skupina, v ktorej opäť nechýbal Luis Angel Maté (Cofidis), vedúci pretekár vrchárskej súťaže. Spoločnosť mu robili oddielový kolega Kenneth Van Bilsen, Bauke Mollema (Trek-Segafredo), Dylan Teuns (BMC Racing), Thomas De Gendt (Lotto Soudal), Ben King (Dimension Data), Reto Hollenstein (Kaťuša-Alpecin), Tom Leezer (LottoNL-Jumbo), Luis Mas (Caja Rural), Aritz Bagues (Euskadi-Murias) a Jesus Ezquerra (Burgos-BH). Na úpätí úvodnej horskej prémie mali náskok vyše štyri minúty, maximum bodov na nej zobral podľa predpokladov Maté a rovnako tomu bolo aj na Alto de Gredos a Puerto de Pena Negra. Jedenástka vpredu zvládla všetky tri prekážky pokope, to už zostávalo do cieľa okolo 80 km a pelotón strácal na únik sedem minút. Po následnom bufete vzrástlo manko už na deväť.
V ďalších kilometroch nasledoval viac-menej rovinatý úsek až po métu 20 km pred cieľom, keď začala cesta stúpať hore. Na čele pelotónu pracovali celý čas najmä pretekári FDJ, ktorí sa snažili znížiť stratu a udržať červený dres pre Rudyho Molarda. No príliš sa im to nedarilo, 40 km pred cieľom mala jedenástka na čele k dobru desať minút. O ďalších desať km zaútočil De Gendt a vedúca skupina sa potrhala, na čelo s ním prišli ďalší šiesti jazdci. Z tejto skupinky potom vyrazil vpred King, ktorý mal šancu obliecť sa do červeného dresu.
To však už v balíku pracovalo viacero tímov s ambíciami na celkové poradie a náskok úniku klesal, 12 km pred cieľom však mal vedúci King k dobru stále vyše šesť minút. Na začiatku stúpania na Alto de La Covatilla sa za ním rozbehol Mollema, ďalší jazdci z pôvodného úniku zaostávali. Zo skupiny favoritov na celkové poradie, v ktorej zostalo asi len 20 pretekárov, v polovici stúpania odpadol aj Molard a jeho štvordňové dobrodružstvo v červenom drese sa skončilo. Na čele išiel výborne King, ktorý si aj dva km pred cieľom udržiaval 20-sekundový náskok pred Mollemom. Dvadsaťdeväťročný Američan to nakoniec zvládol a svoj výborný výkon korunoval etapovými vavrínmi. Po 4. etape si tak pripísal druhý triumf na prebiehajúcej Vuelte. Zo skupiny favoritov na celkové poradie sa odtrhla pätica Quintana, Lopez, Kelderman, Izaguirre, Uran a do cieľa prišli s malým náskokom pred svojimi súpermi.
