La fasi iniziali di questa quinta tappa, dopo non molti tentativi, vedono sganciarsi dal gruppo un solo corridore, Martin Kohler della BMC. Il 25enne elevitco riesce a guadagnare fino a 12'10" al chilometro 44 ed a questo punto la Garmin-Cervélo decide di aumentare leggermente il ritmo per difendere la maglia rosa di David Millar visto che, in classifica, Kohler ha appena 50" di ritardo. Il battistrada vince il traguardo volante ad abbuoni posto in località Arcidosso (gap 8'), ma è alle sue spalle che accade il primo colpo di scena della giornata: la Androni prepara lo sprint per Vicioso, desideroso di avvicinarsi ulteriormente alla maglia rosa essendo ad appena 7" dalla vetta, ma dopo l'ultima curva lo spagnolo e proprio la maglia rosa David Millar si toccano e finiscono entrambi a terra. Un contatto molto fortuito perché i due corridori scelgono traiettorie molto diverse: fortunatamente entrambi riescono a tornare rapidamente in gruppo ma i secondi di abbuoni vanno a Bakelandts e Dall'Antonia. Nel tratto tra il traguardo volante e il gran premio della montagna di Saragiolo scatta dal gruppo il basco Aramendia e a lui si accodano anche altri contrattaccanti tra cui Giordani, Marzoli e Nocentini: questa azione, però, dura pochissimi chilometri perché la Garmin va subito a riprenderli. Il nervosismo del plotone cresce più ci si avvicina al primo settore di strada bianca e si registrano diverse cadute perché tutti vogliono stare davanti: tra i coinvolti ci sono Butler, Porte, Rovny, Kiryienka, Mazzanti, Bozic, Dessel e Van Winden ma tutti si rialzano e ripartono senza grossi problemi. Sulla salita di Croce di Figline inizia lo sterrato, e c'è selezione fin dalle prime rampe anche perché nelle retrovie molti sono obbligati a mettere il piede a terra per il restringimento della sede stradale. Transitando per primo anche su questo Gpm lo svizzero Kohler conquista la maglia verde ma vede il suo vantaggio ridursi fino a 3'24" sui migliori mentre David Millar transita con una trentina di secondi di ritardo. Nella discesa sterrata si porta in testa al gruppo Vincenzo Nibali per forzare il ritmo e provare a fare selezione visto che ci sono molte curve tecniche ed in mezzo alla polvere è estremamente difficile per chi sta dietro. Il corridore della Liquigas, però, non riesce a portare via il gruppetto ed allora in contropiede ci provano Tankink, Cataldo e Niemiec, con il polacco che si stacca dopo un errore in curva. All'inizio dell'ultimo settore sterrato la situazione vede ancora solo in testa Martin Kohler con 1'45" su Tankink e Cataldo e con circa 2'10" sul gruppo con tutti i migliori mentre tra gli attardati c'è sempre la maglia rosa David Millar e anche il portoghese Machado che è stato costretto a cambiare bicicletta sullo sterrato. Dopo neanche un chilometro, però, prima cade Cataldo e un attimo dopo Tankink è costretto a fermarsi per un problema meccanico: i primi inseguitori del fuggitivo diventano quindi Gadret e Weening, evasi da un gruppo ridotto ormai ad una cinquantina di unità. Sul finire della strada bianca riesce a riprendere le ruote del gruppo David Millar ma, causa foratura, si stacca Stefano Garzelli che viene aspettato da Codol e Corioni e riesce a rientrare. A 12 km dall'arrivo, però, una brutta caduta di Tom Jelte Slagter fa vivere di nuovo attimi di terrore, ma fortunatamente il giovane olandese, seppur dolorante e con diverse ferite è cosciente e riesce a parlare e muovere gli arti. Ai meno 10 chilometri finisce l'avventura solitaria dell'uomo della BMC, Kohler viene infatti ripreso da Weening e Gadret: l'olandese parte subito e rimane solo in testa e a 5000 metri dal traguardo ha 40" di vantaggio sul gruppo tirato dagli uomini della Lampre. Sul muro che porta ad Orvieto Weening va un po' in difficoltà, ma riesce a difendersi alla grande mentre dietro si stacca definitivamente Millar: nel tratto più duro prova un allungo Michele Scarponi senza riuscire però a guadagnare terreno visto che inizia subito la discesa. All'ultimo chilometro Weening ha ancora 10" di vantaggio sugli inseguitori e riesce a coronare al meglio il suo attacco arrivando da solo a braccia alzate. Il gruppo dei migliori arriva ad appena otto secondi e viene regolato da Fabio Duarte su Serpa, Le Mevel e Gatto. I migliori arrivano tutti vicini mentre, tra i corridori attardati, limitano i danni Pozzovivo (a 25" da Weening), Sella e Sastre (28") mentre va peggio a Machado (3'03"), Visconti (5'16"), Rujano (5'16"), Popovych (5'31") e Di Luca (6'58"). Weening balza anche in testa alla classifica generale con 2" su Pinotti. Anche la bianca va anch'essa in casa Rabobank: in testa alla classifica dei giovani c'è infatti l'olandese Kruijswijk; la maglia rossa rimane invece sulle spalle di Petacchi che ha solo due punti di vantaggio su Le Mevel.