Como ya sucediera en Jerez, Marc Márquez arrancaba desde la pole y conseguía mantener ese privilegiado puesto en la primera vuelta hasta que, en la recta de entrada, Thomas Luthi conseguía adelantar al español para colocarse en cabeza y coger la directa. Mientras, Pol Espargaró había realizado una gran salida que le permitió colocarse tercero y formar junto a Johann Zarco el dúo de perseguidores de la cabeza.

Además, Toni Elías se juntaba a Andrea Iannone y Scott Redding en un segundo grupo de pilotos que luchaban por la quinta posición y por acercarse al pelotón de cabeza. En el asfalto luso, el italiano marcaba la vuelta rápida con su Speed Up y daba caza a Zarco, logrando juntar la carrera momentáneamente y formando una hilera de pilotos que igualaba fuerzas sobre el circuito de Estoril.

A falta de 20 vueltas, Espargaró cometía un error y se salía de pista, brindando la cuarta posición a Iannone mientras que Zarco pasaba a Márquez cuando Luthi se escapaba en la cabeza. Sin embargo, Polyccio lograba reponerse de su fallo y, desde el rebufo del francés, veía como Luthi abría un hueco que no estaba dispuesto a permitir. Así, en un sólo adelantamiento, pasó a Zarco y a Márquez para dar caza al suizo.

Con un error de Iannone mientras rodaba cuarto, Luthi, Márquez y Espargaró volaban sobre Estoril, abriendo distancia con sus perseguidores y dejando la carrera en una lucha de tres, relegando a Zarco a rodar en solitario en la cuarta plaza durante el resto de carrera. Mientras, Toni Elías continuaba con su batalla por la séptima posición a la que se unió Julián Simon.

Tras rodar en cabeza durante el grueso del Gran Premio de Portugal, Luthi vio como sus opciones de triunfo se esfumaron cuando Márquez daba un golpe sobre la mesa y se colocaba primero, con un ritmo frenético que sólo Espargaró consiguió seguir. A falta de cuatro vueltas, el mano a mano por la victoria era español y, la lucha, cuerpo a cuerpo. En cabeza, Márquez notaba el aliento de un Espargaró que quería la victoria.

Así, en la última vuelta, Polyccio ya había estudiado cuales eran los huecos para pasar al de Cervera y, tras una bonita lucha entre los españoles, con adelantamientos de infarto en donde las motos llegaron a chocarse, Espargaró se salía de la trazada y dejaba el camino libre para que Márquez, que no cometió ningún error, lograra su segunda victoria de la temporada y venciera en Estoril, mientras Luthi cerraba el podio cruzando la meta tercero.

En cuanto a los españoles, Elías lograba la séptima posición, por detrás de Zarco, Iannone y De Angelis, quien tuvo un pequeño toque con Julito Simón, a quien relegó a la octava posición.

Además, Ricard Cardus (AJR) conseguía el decimoquinto puesto y entraba en los puntos justo por delante de Nico Terol (Suter). La mala noticia la dio Tito Rabat (Kalex) que cometía un error y cruzaba finalmente la meta vigésimo cuarto mientras que Elena Rosell (Moriwaki) lo hacía en la vigésimo sexta posición. Por su parte, Alex Pons (Kalex) no consiguió terminar la carrera de Estoril.