Subito dopo la partenza da Bergamo provano ad allungare in testa al gruppo Giacomo Berlato (NIPPO - Vini Fantini) e Manuel Belletti (Southeast), ma il tentativo non ottiene il via libera da parte del gruppo. Al km 13 (dei 245 totali) parte la fuga innescata da Stefan Schumacher (CCC) e Jan Polanc (Lampre), e sulla quale presto rientrano altri 9 corridori: Simon Geschke (Giant), Pier Paolo De Negri (Nippo), Enrico Barbin (Bardiani), Dennis Van Winden (Lotto NL), Marco Canola (UnitedHealthcare), Matteo Busato (Southeast) e Jérôme Coppel (IAM). Il gruppo però inizialmente non permette ai fuggitivi di guadagnare molto spazio con Bora - Argon 18 e Androni - Sidermec a guidare l'inseguimento. La situazione cambia quando proprio le due squadre Professional riescono a inserire un corridore a testa in fuga, rispettivamente Cesare Benedetti e Oscar Gatto. 
A quel punto il vantaggio degli undici fuggitivi lievita immediatamente a otto minuti (vantaggio massimo 8'24" al km 112) prima che la Astana, sulla salita di Colle Gallo, si porti in testa a controllare la situazione e mantenere stabile il margine. Quando mancano 90 chilometri alla conclusione in testa al gruppo arrivano anche le maglie della Movistar e della Etixx - QuickStep che aumentano notevolmente il ritmo, tanto che nella zona di rifornimento di Onno il vantaggio è di soli tre minuti. Proprio all'uscita della zona di rifornimento dal gruppo attaccano Tom Jelte Slagter (Cannondale - Garmin), Michal Kwiatkowski, Matteo Trentin, Zdenek Stybar, Carlos Verona e Lukasz Wisniowski (Etixx - QuickStep), Tim Wellens (Lotto Soudal), Jon Izagirre (Movistar), Robert Gesink e Timo Roosen (Lotto Nl - Jumbo) e Giacomo Nizzolo (Trek). Sul Ghisallo la situazione cambia ancora con Benedetti e Canola che allungano in fuga e scollinano con 26" su Barbin, Busato e Van Winden. Il gruppo Kwiatkowski, dove oltre al polacco sono rimasti Slagter, Verona, Wellens, Gesink e Izagirre, transita con due minuti di ritardo, precedendo di un minuto il gruppo. Lungo la discesa il gruppo Barbin si riporta sui due battistrada, mentre gli altri ex fuggitivi vengono ripresi dal gruppo Kwiatkowski. 
Sulla salita di Muro di Sormano Benedetti e Canola allungano nuovamente, venendo però raggiunti poco dopo da Kwiatkowski e Wellens che staccano gli ultimi due reduci della fuga di giornata. I due battistrada transitano in cima al Muro di Sormano con una decina di secondi sulla prima parte del gruppo, composto da Tom Jelte Slagter (Cannondale - Garmin), Vincenzo Nibali (Astana), Mikel Landa (Astana), Diego Rosa (Astana), Cesare Benedetti (Bora - Argon 18), Thibaut Pinot (FDJ), Mikel Nieve (Sky), Alejandro Valverde (Movistar), Esteban Chaves (Orica GreenEDGE), Warren Barguil (Giant - Alpecin), Daniel Moreno (Katusha), Robert Gesink (Lotto NL - Jumbo) e Wouter Poels (Sky). 
In discesa i due battistrada allungano leggermente sul gruppo inseguitori, nel quale rientrano anche Gianluca Brambilla (Etixx - QuickStep), Romain Bardet (AG2R La Mondiale), Alexis Vuillermoz (AG2R La Mondiale), Carlos Verona (Etixx - QuickStep), Tony Gallopin (Lotto Soudal), Simon Yates (Orica GreenEDGE), Matteo Busato (Southeast), George Bennett (Lotto NL - Jumbo), Sergio Henao (Sky) e in un primo momento anche Marco Canola (UnitedHealthcare) che poi perde contatto in maniera definitiva. All'inizio della salita di Civiglio i due battistrada hanno un vantaggio di 22" sul gruppo Nibali, mentre un gruppo con Gilbert, Pozzovivo, Majka, Visconti e Rui Costa ha un ritardo ormai di 1'30" e sembra tagliato fuori dai giochi. Kwiatowski tenta di allungare sulla salita, ma viene ripreso subito dal gruppo sotto la spinta di Diego Rosa. 
Finita l'azione del piemontese, o almeno così sembra, Vincenzo Nibali piazza una prima accelerazione, alla quale Esteban Chaves (Orica GreenEDGE) risponde senza difficoltà, mentre Moreno riporta sotto anche Valverde e Pinot, imitati poi dagli altri quando il siciliano si rialza. A riportarsi davanti è così nuovamente Rosa, che addirittura piazza una piccola accelerazione, seguito da Poels. Si prosegue a scatti e controscatti per tutto il Civiglio: grandi protagonisti sono soprattutto la coppia Astana, presente in ogni accelerazione e un pimpante Thibaut Pinot, unico a restare con Nibali nel momento in cui prova una accelerazione più decisa in vista della vetta. Capito che in salita non può fare la differenza, Nibali decide dunque di prendere fiato per qualche centinaio di metri, prima di piazzare una decisa accelerazione appena inizia la discesa. Pinot stavolta non ha modo di seguirlo e concede spazio, così come inutile si rivela il tentativo di inseguire di Moreno. Valverde da solo non riesce a contenere la furia della maglia tricolore, che arriva fino a guadagnare quaranta secondi, grazie anche al lavoro di uno splendido Rosa, costantemente in testa al gruppetto degli inseguitori per spezzare i cambi.
Non riuscendo i suoi rivali a trovare un accordo, Nibali riesce a mantenere un vantaggio costante nel tratto pianeggiante fino a San Fermo della Battaglia, dove dietro esplode nuovamente la bagarre. Pinot sembra il più generoso, ma a fare la differenza è Moreno, che si riporta fino a 14" da un Nibali che in salita non è stato brillante. Dopo lo scollinamento si torna tuttavia a scendere e Nibali pennella alla grande le curve, resistendo al ritorno di Moreno e presentandosi, finita la discesa, col medesimo margine di poco più di 10" ai 2 km finali.
A questo punto niente e nessuno può più stoppare il messinese, lanciato sul rettilineo finale del lungolago di Como a raccogliere il caloroso abbraccio del pubblico, un abbraccio materializzatosi anche in una bandierina italiana che svolazzando va incredibilmente ad appiccicarsi sulla pancia di Vincenzo, mentre taglia il traguardo. Un'immagine casuale che resterà nei cuori di molti.
Vincenzo Nibali riporta l'Italia prima in una Classica Monumento, di nuovo al Lombardia, di nuovo a Como, sette anni dopo Damiano Cunego.
Il valoroso Moreno, mollando un po' nell'ultimo chilometro, chiude a 21" dal campione siciliano; a 32" Pinot (ben difesosi dal ritorno degli altri in discesa) conquista un bel podio. Per il quarto posto, a 46" dal vincitore, Rosa sprinta contro Valverde, ma di poco non riesce a sopravanzare lo spagnolo.