Le départ de l'étape est donné à Belfort. Le parcours prend la direction du sud et entre dans le Doubs. La route commence à s'élever à partir du quinzième kilomètre. Sept difficultés référencées pour le classement de la montagne s'enchaînent en moins de 150 kilomètres. La première est la côte de Bondeval, au vingtième kilomètre, classée en quatrième, suivie douze kilomètres plus loin de la côte du Passage de la Douleur, en troisième catégorie. Au bas de la descente de cette côte, le peloton passe le Doubs puis aborde la première des quatre ascensions de deuxième catégorie, la côte de Maison-Rouge, qui est la plus longue du jour : 7,9 km à 5 %. Le Tour se dirige ensuite vers l'est et arrive en Suisse, dans le canton du Jura. La côte de Saignelégier emmène une première fois le peloton à plus de 900 mètres d'altitude, au kilomètre 73, après 7,8 km d'ascension à 6,1 %. La cinquième difficulté du jour, la côté de Saulcy commence vingt kilomètres plus loin. Le sprint intermédiaire du jour est situé aux Genevez. Après un court passage dans le canton de Berne, les deux dernières ascensions se succèdent en quinze kilomètres. La côte de la Caquerelle, classée en deuxième catégorie, est longue de 4,3 km et présente une pente moyenne de 7,6 %. La dernière ascension est celle menant au col de la Croix. Classée en première catégorie, elle est longue de 3,7 km avec une pente moyenne de 9,2 %. L'arrivée est jugée 16 kilomètres après le col, à Porrentruy[1].
Le départ réel est légèrement retardé par la chute de Matthew Lloyd (Lampre-ISD) dans la portion neutralisée. Des attaques fusent dès le km 5, seul Jens Voigt (RadioShack-Nissan) parvient à s'extraire du peloton dans la côte de Bondenval. Le contenu du groupe de ses poursuivants change plusieurs fois au gré des attaques. Il passe seul en tête au sommet de la côte du Passage de la Douleur mais il finit par réintégrer le peloton au km 39.
Les attaques reprennent et un groupe d'échappés d'une vingtaine de coureurs se forme. Jens Voigt s'échappe de ce groupe en compagnie de Steven Kruijswijk (Rabobank), les deux hommes sont repris par le groupe au dernier kilomètre de la côte de Maison-Rouge. Blel Kadri (AG2R La Mondiale) attaque et passe seul en tête de cette côte (km 50) mais il est rapidement repris par le groupe de tête. Une chute à l'arrière du peloton, au kilomètre 56, met à terre Alejandro Valverde (Movistar) et Samuel Sánchez (Euskaltel-Euskadi) et retarde Thomas Voeckler (Europcar). Sánchez est contraint d'abandonner la course en raison d'une blessure à l'épaule et d'une fracture de la main.
Au sommet de la côte de La Caquerelle, seuls Gallopin et Pinot ont pu limiter l'écart à 1 min avec l'homme de tête tandis que le peloton pointe à 3 min 25 s. Dans la montée du col de la Croix, Pinot décroche Gallopin, il rattrape et dépasse Kessiakoff à 300 m du sommet. Pinot bascule dans la descente vers Porrentruy avec une dizaine de secondes d'avance, Kessiakoff tente de revenir dans la descente mais il est fatigué par sa longue échappée solitaire et manque de peu de chuter dans un virage.
Derrière, dans la montée du col de la Croix, les accélérations des deux membres de l'équipe Lotto-BelisolJelle Vanendert et Jurgen Van den Broeck essorent le peloton qui est bientôt réduit à 9 coureurs seulement : Vincenzo Nibali (Liquigas-Cannondale), Christopher Froome et Bradley Wiggins (Sky), Cadel Evans (BMC Racing), Fränk Schleck, Maxime Monfort et Haimar Zubeldia (RadioShack-Nissan), Denis Menchov (Katusha) et Van den Broeck. Pinot parvient à maintenir un écart avec ses poursuivants et remporte l'étape en solitaire avec 26 secondes d'avance à Porrentruy. Van den Broeck et Evans tentent de gagner du temps sur Wiggins mais sans succès. Evans remporte le sprint pour la 2e place devant Gallopin et Wiggins qui conserve le maillot jaune.
Thibaut Pinot 
Cadel Evans 
Comb.
Fredrik Kessiakoff 
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Bradley Wiggins 
Vincenzo Nibali 
M. vert
Peter Sagan 
M. à pois
M. blanc
Rein Taaramäe 
D. jaune
RadioShack-Nissan 
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Belgique
Russie
Espagne
Irlande
Allemagne
Johannes Fröhlinger (Argos-Shimano) : non-partant
Samuel Sánchez (Euskaltel-Euskadi) : abandon
