在瓦伦西亚大奖赛正赛中，豪尔赫‧洛伦佐在面临强敌马克‧马奎兹的追击仍成功压制住本田车手，在离开雅马哈之前为日本厂队夺下了自己雅马哈生涯的最后一个冠军。
杆位发车的洛伦佐起跑十分优秀，一车当先，马奎兹却一口气落到第五。第一圈结束，洛伦佐已领先安德雷亚‧伊安诺内半秒之多，第三位为麦佛利克‧维纳莱斯，瓦伦蒂诺‧罗西在第四。
显然周六洛伦佐在排位赛展现的速度是货真价实的，才来到第三圈就将差距拉开了一秒，两圈的成绩都在1分31秒1，让后方竞争激烈的车群自相残杀。
暂位第二的伊安诺内不仅需要担心维纳莱斯的追击，第五圈罗西就在14弯超越了维纳莱斯，而马奎兹也在几个弯后同样跟进。
一圈后，罗西潜进了伊安诺内的内侧并成功超越，暂位第二，而洛伦佐已在2秒左右的前方。第二到第六位的差距仅在1秒半之间，伊安诺内很快地再从罗西手上抢回位置。但杜卡迪与雅马哈之间的斗争并未结束，两位车手几度互换位置，进入第十圈仍在纠缠。
第十一圈，马奎兹也加入了战局，一度超越伊安诺内，却没办法做好彻底的防守。暂位第二的罗西也无法趁机甩开后方两辆车，因伊安诺内很快又来到本田车手之前，并超越罗西。
比赛中场，多维齐奥索的速度渐渐从领先集团掉队，颁奖台的位置还剩四位车手在竞争，而跑在第一位的洛伦佐则积累了4秒半的领先优势。
倒数第十三圈，使用硬前胎的克拉齐罗在第14弯摔倒。在LCR车手的意外发生不久后，马奎兹超越了罗西来到第三，开始追击前方的红车。第十八圈，伊安诺内也在第二弯和第三弯附近被马奎兹超越。
倒数第十圈，马奎兹和洛伦佐的差距为5.3秒，清楚现状的本田车手开始飙出飞快的计时圈，一点一滴地接近洛伦佐。而雅马哈车手选择的轮胎较软，轮胎磨损速度较快，马奎兹若想获胜，这是唯一的切入点。
比赛进入尾声，伊安诺内和罗西的颁奖台争夺战仍未结束，然而杜卡迪另一位车手安德雷‧多维齐奥索的状态是每下愈况，被埃斯帕加罗兄弟追击。
倒数第三圈，维纳莱斯的速度减慢，无法继续与罗西和伊安诺内抗衡。而领跑的洛伦佐正以每圈落后0.5秒的速率被马奎兹追上，稍有一个闪失就有可能丢失眼前的冠军。
进入最后一圈，一、二位的差距更缩短至1.7秒内。即使后头有名为本田的猛兽追击，洛伦佐还是谨慎地飞驰过每一弯，最终拿下2016年MotoGP赛季最终站的冠军。
而马奎兹后方的季军之战，最终由伊安诺内胜出。罗西虽无法站上瓦伦西亚站的颁奖台，但车手个人积分来到249分，比第三名的队友多出16分。而罗西明年的搭档维纳莱斯以第五名完赛，位居车手年度排行榜第四名。
经过一番苦战，多维齐奥索仍无法守住第六名的位置，以0.039秒输给博尔‧埃斯帕加罗，但在哥哥阿雷克斯‧埃斯帕加罗之前。
负伤上场的丹尼‧佩德罗萨和卡尔‧克拉齐罗并未完赛，但今年都拿过冠军的他们分占车手积分榜上的第六、七名。
正赛最终排名:
| 名次 | 车号 | 车手 | 车队 | 时间 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 99 |  Jorge Lorenzo |
Yamaha | 45'54.228 |
| 2 | 93 | Marc Marquez |
Honda | 45'55.413 |
| 3 | 29 |  Andrea Iannone |
Ducati | 46'00.831 |
| 4 | 46 | Valentino Rossi |
Yamaha | 46'01.896 |
| 5 | 25 | Maverick Viñales |
Suzuki | 46'04.838 |
| 6 | 44 | Pol Espargaro |
Yamaha | 46'12.606 |
| 7 | 4 | Andrea Dovizioso |
Ducati | 46'12.645 |
| 8 | 41 | Aleix Espargaro |
Suzuki | 46'12.906 |
| 9 | 38 |  Bradley Smith |
Yamaha | 46'20.221 |
| 10 | 19 | Alvaro Bautista |
Aprilia | 46'29.293 |
| 11 | 8 | Hector Barbera |
Ducati | 46'30.653 |
| 12 | 9 | Danilo Petrucci |
Ducati | 46'36.643 |
| 13 | 6 |  Stefan Bradl |
Aprilia | 46'44.051 |
| 14 | 45 | Scott Redding |
Ducati | 46'46.263 |
| 15 | 43 |  Jack Miller |
Honda | 46'49.853 |
| 16 | 50 |  Eugene Laverty |
Ducati | 46'52.482 |
| 17 | 53 | Tito Rabat |
Honda | 46'52.783 |
| 18 | 76 |  Loris Baz |
Ducati | 47'00.392 |
| Ret | 36 |  Mika Kallio |
KTM | 29'57.584 |
| Ret | 35 | Cal Crutchlow |
Honda | 24'42.868 |
| Ret | 26 | Dani Pedrosa |
Honda | 9'18.522 |
| Ret | 68 |  Yonny Hernandez |
Ducati | 6'22.656 |
