L'étape se déroule entièrement dans le Vaucluse. Partis de Sorgues, les coureurs doivent affronter deux côtes de 4e catégorie, à Fontaine-de-Vaucluse puis à Gordes. Deux côtes de 1re catégorie se profilent ensuite, le col de la Liguière à 998 m d'altitude (9,3 km à 6,7 %) puis le Mont Ventoux par Sault (22 km à 5,1 %).
Nouveauté sur le Tour, les coureurs doivent passer le Ventoux une seconde fois, par son versant le plus difficile, celui de Bédoin (15,7 km à 8,8 %). Une longue descente les conduit ensuite à Malaucène, terme de l'étape.
La première montée du Ventoux voit la défaillance de David Gaudu, malade. Il terminera à 25 minutes du vainqueur, perdant ses espoirs de podium sur le Tour 2021. Les poursuivants rejoignent les échappés, mais c'est Alaphilippe qui passe en tête au sommet.
Dans la deuxième montée, van Aert passe en tête au sommet : il ne sera pas rejoint et s'impose en solitaire à Malaucène, plus d'une minute avant Elissonde et Mollema. Dans le groupe maillot jaune, Jonas Vingegaard attaque et distance Tadej Pogačar, mais le Slovène réussit à rattraper le Danois dans la descente[2].
L'étape est marquée par sept abandons et un hors-délai.