Martin, 34 ans, s'impose devant le Slovène Primoz Roglic (Jumbo-Visma), qui conserve son maillot rouge de leader. Par le jeu des bonifications, Martin, 2e au général, se rapproche à 5 secondes de Roglic.

L'Equatorien Richard Carapaz, 3e de l'étape, est aussi toujours 3e au général, mais à 13 secondes du Slovène (au lieu de 11 au départ de l'étape).

Quatre coureurs ont formé l'échappée du jour avec Tosh Van der Sande (Lotto Soudal), le Britannique Mark Donovan (Sunweb), le Néerlandais Niki Terpstra (Total Direct Energie), l'Espagnol Aritz Bagües (Caja Rural-Seguros RGA) et le Sud-Africain Willie Smit (Burgos-BH). Parti très tôt, le quatuor s'est fait rattraper à l'approche des 50 kilomètres pour laisser place à quatre autres coureurs.

Les Français de Total Direct Energie Valentin Ferron et Paul Ourselin ainsi que les Espagnols Hector Saez (Caja Rural) et Angel Madrazo (Burgos-BH) ont devancé le peloton de moins de 30 secondes jusqu'à 8 kilomètres de l'arrivée.

La bataille dans la montée à Laguna Negra (8,6 km à 5,8%, à 1.735m d'altitude) s'est résumée à une montée au train des Ineos pour Richard Carapaz. AG2R-La Mondiale a tenté le coup dans le dernier kilomètre, mais la victoire s'est jouée au sprint pour un petit groupe, les plus forts du jour, de neuf coureurs. Les trois premiers du général se sont disputés la victoire, Martin s'imposant devant Roglic et Carapaz.

Le Français Thibaut Pinot (Groupama-FDJ) et le Slovène Matej Mohoric (Bahrain-McLaren) n'avaient pas pris le départ.

Vendredi, la 4e étape, au profil plat, reliera Garray. Numancia à Ejea de los Caballeros sur 191,7km. La Vuelta s'achève le 8 novembre à Madrid.