Cette étape de 161,5 km part de Mulhouse et arrive à la Planche des Belles Filles. Il s'agit de la troisième et dernière étape vosgienne de ce Tour. Elle comprend sept difficultés comptant pour le Grand Prix de la montagne, dont quatre en première catégorie. Après le départ de Mulhouse, le parcours se dirige vers le nord pour trouver la première ascension, menant au col du Firstplan (722 m, 2e catégorie, 8,3 km de montée à 5,4 %). Après la descente, les coureurs passent à Gunsbach où se trouve le sprint intermédiaire de Muhlele, puis à Munster. Le Petit Ballon est ensuite gravi (1 163 m, 1re catégorie, 9,3 km à 8,1 %), immédiatement suivi par le col du Platzerwasel (1 193 m, 1re catégorie, 7,1 km à 8,4 %) qui mène à la route des Crêtes suivie jusqu'au Markstein. La descente du Markstein amène le peloton à Kruth. La difficulté suivante mène au col d'Oderen (884 m, 2e catégorie, 6,7 km à 6,1 %), qui marque le passage du département du Haut-Rhin à celui des Vosges. Vingt-deux kilomètres plus loin, au col des Croix (679 m, 3e catégorie, 3,2 km à 6,2 %), la course entre dans la Haute-Saône. Les deux dernières ascensions de première catégorie se trouvent dans les trente derniers kilomètres : le col des Chevrères (914 m, 3,5 km à 9,5 %) puis La Planche des Belles Filles (5,9 km à 8,5 %), où se juge l'arrivée, à 1 035 mètres d'altitude. Le directeur du Tour de France Christian Prudhomme juge que cette étape est « la plus dure étape de moyenne montagne de l'histoire »[1].
Déroulement de la course
Une échappée se forme avec notamment Joaquim Rodríguez et Thomas Voeckler qui se livrent une bataille aux points à chaque ascension. C'est finalement Joaquim Rodríguez qui endossera le maillot à pois à l'arrivée. Dans cette échappée figure aussi Michał Kwiatkowski, emmené par son coéquipier Tony Martin. L'équipe Astana de Vincenzo Nibali ne laisse que peu de temps d'avance à ce groupe. Au Petit Ballon, avant l'ascension du Platzerwasel, Alberto Contador chute puis abandonne une demi-heure plus tard, souffrant d'une fracture au tibia[2]. Dans la dernière difficulté du jour, Vincenzo Nibali attaque et rattrape les échappés, notamment Rodríguez, parti seul. Il attaque de nouveau pour pouvoir remporter cette étape en solitaire et ainsi endosser une nouvelle fois le maillot jaune.
Ayant réussi la dernière ascension, Romain Bardet, Thibaut Pinot et Jean-Christophe Péraud montent respectivement aux 4e, 6e et 8e places du classement général. Bardet endosse le maillot blanc perdu par Kwiatkowski. Pour les six premiers, le classement de l'étape préfigure le classement final du Tour 2014, dans un ordre différent.