À 50 km de l'arrivée, le peloton hausse le ton et l'écart, qui n'a jamais dépassé 2 minutes et 40 secondes se réduit. À l'avant, Romain Hardy et David Lopez lâchent prise dans la première ascension de l'Alto el Vivero (2e cat, km 151), où Kenny Elissonde empoche les points, comme lors de l'ascension précédente (Alto la Escrita, 3e cat.). Le groupe se reforme dans la descente, mais en pure perte car le peloton, emmené par Alessandro Vanotti et le reste de l'équipe Astana revient à 20 secondes lors du premier passage sur la ligne, à 29 km du but. Onze kilomètres plus loin, l'échappée est terminée.
La deuxième ascension de l'Alto el Vivero voit Dries Devenyns (IAM) se porter à l'avant tandis que les leaders s'observent. Andrey Zeits (Astana), George Bennett (Lotto NL-Jumbo), Mathias Frank (IAM) et Matvey Mamykin (Katusha) se lancent à la poursuite de l'échappé belge mais sont rattrapés sur un démarrage d'Alberto Contador (Tinkoff). Ils sont tous repris sauf Devenyns qui atteint le sommet avec 30 secondes d'avance sur la tête du peloton, où on aperçoit notamment Pierre Rolland (Cannondale-Drapac) et Daniel Moreno (Movistar).
Déjà passé tout près de la victoire dans la 9e étape, Devenyns échoue à nouveau à 2 km de la ligne, où il doit rentrer dans le rang. Des finisseurs sont encore dans le peloton qui entre à nouveau dans Bilbao et parmi eux Jens Keukeleire, qui offre à son équipe Orcia-BikeExchange une deuxième victoire dans cette Vuelta. Il précède le FrançaisMaxime Bouet (Etixx-Quick Step) et l'ItalienFabio Felline (Trek-Segafredo). Le maillot rouge reste sur les épaules du ColombienNairo Quintana (Movistar)[1].