Il a débordé dans les derniers mètres du sprint du groupe des treize derniers échappés le Français Julian Alaphilippe (Quick-Step Alpha Vinyl), lauréat la veille de la 2e étape. Le Russe Aleksandr Vlasov (BORA-hansgrohe) a pris la 3e place. Le Slovène Primoz Roglic (Jumbo-Visma), leader depuis son succès dans le prologue, a conservé le maillot jaune de leader du général après avoir terminé septième. Il devance toujours de 5 secondes Remco Evenepoel, qui comme mardi a lancé le sprint de son coéquipier champion du monde. Il a franchi la ligne d'arrivée en treizième position. Vlasov passe de la 6e à la 3e place. Il compte 14 secondes de retard.

Dans la première difficulté du jour, Jonas Vingegaard a devancé au sommet Evenepoel. Après le passage de l'Altube, l'échappée du début d'étape semblait se former, mais même celle-ci n'a pas obtenu la bénédiction du peloton. Ce n'est qu'avec Jan Polanc, Hugo Houle et Cristian Rodriguez que trois coureurs se sont échappés mais les Jumbo-Visma restaient vigilants.

Sur l'Opellora, une côte raide avec des sections de 17 à 18 % et une moyenne de 13 %, Houle a été le premier à céder bientôt imité par Polanc. Ineos Grenadiers a pris les commandes du peloton et bientôt ile ne furent plus qu'une vingtaine de coureurs à assurer la poursuite.

Après qu'Adam Yates a accéléré à plusieurs reprises dans la dernière montée de la journée, l'Ozeka (3,6 km à 7,4%), l'avance de Rodriguez a rapidement diminué. Juste après le sommet, il a été rattrapé par le groupe des favoris qui comptait encore 16 coureurs.

Dans la descente et la partie légèrement plus plate menant à l'arrivée, Evenepoel a essayé de s'échapper, mais sans succès. Le Brabançon a ensuite mis sur orbite Alaphilippe en menant un train d'enfer à 1300 mètres de l'arrivée précédée par une bosse. Le champion du monde semblait se diriger vers une seconde victoire consécutive jusqu'à ce que Bilbao ne surgisse juste avant la ligne finale.

Jeudi, la 4e étape conduira le peloton de Vitoria-Gasteiz à Zamudio (185,6 km). Cette 61e édition s'achèvera samedi à Arrate au terme de la 6e étape. On saura alors si Roglic signera son 3e succès final après 2018 et 2021.