フリー走行2回目が行われるころには天候、路面状況ともに回復。各ライダーは最初からスリックタイヤで走行をスタートさせた。気温21度だが、路面温度は上がらず、13度と低め。このコンディションが影響したか、序盤にクアルタラロが2コーナーで転倒を喫している。
このセッションでも序盤からトップにつけていたのはバニャイアだった。その後、開始25分過ぎにフランコ・モルビデリ（モンスターエナジー・ヤマハMotoGP）がバニャイアのタイムを大きく更新し、トップに浮上する。
しばらくはモルビデリがトップをキープしていたが、残り時間5分でミラーがトップタイムを記録。さらにそのタイムをバニャイアが0.009秒更新し、バニャイアが再びトップに立った。終盤にはミラー、バニャイア、そしてポル・エスパルガロ（レプソル・ホンダ・チーム）がトップタイムを記録し、最後にミラーが1分30秒927をマークしてこれがフリー走行2回目のトップタイムとなった。
2番手はポル・エスパルガロ。2番手タイムを記録してチェッカーが振られたあとに6コーナーで転倒を喫している。3番手はバニャイア、4番手はアレックス・リンス（チーム・スズキ・エクスター）、5番手はホルヘ・マルティン（プラマック・レーシング）だった。
中上は6番手、転倒後に再び走行していたクアルタラロはタイムが伸びず11番手。バレンシアGPが最後のMotoGPでのレースとなるバレンティーノ・ロッシ（モンスターエナジー・ヤマハMotoGP）は21番手だった。
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