Маршрут гонки был представлен 19 октября 2010, и включал по одной индивидуальной и командной разделке, Пиренеи на второй неделе и Альпы на третьей. За 21 этапа гонщики преодолели 3430,5 километра, разбавленных двумя днями отдыха. В разделке предпоследнего этапа Кэдел Эванс снял жёлтую майку с плеч Анди Шлека, третий раз подряд остановившегося в шаге от победы. Впервые победу праздновал представитель Австралии, и впервые на главный подиум поднялись родные братья (Франк Шлек стал третьим). Благодаря удерживавшему лидерство дольше всех Томасу Фёклеру хозяева гонки впервые за десятилетие могли рассчитывать на победу, что привело к скачку интереса к Туру в самой Франции. Партнёр эльзасца Пьер Роллан выиграл этап с финишем в Альп-д’Юэз и белую майку лучшего молодого гонщика. Самуэль Санчес выиграл финиш в другую гору высшей категории, Люз Ардиден, и опередил всех в горном зачёте. Марк Кавендиш третий год подряд преодолел планку в 5 этапных побед и наконец выиграл спринтерский зачёт.
На горных этапах очень многие участники не укладывались в лимит время, в том числе трио лидеров спринтерского зачёта. Во время массовых финишей за пределами лимита организаторы «прощали» участников, штрафуя на спринтерские очки. В то же время, например, единственный не уложившийся в лимит на 12-м этапе, Денис Галимзянов, был дисквалифицирован. В гонке стартовало лишь двое норвежцев, Тур Хусховд и Эдвальд Боассон Хаген, однако им удалось выиграть 4 этапа, причём Хусховд ещё до своих побед неделю ехал в жёлтой майке. Первые этапы ознаменовались множеством падений, из-за которых сошли многие претенденты на итоговую победу. Один из именитых гонщиков, Александр Винокуров, даже был вынужден объявить о завершении карьеры после перелома бедра (позже он забрал свои слова обратно, чтобы «Астана» не лишилась лицензии Протура без его очков). Одним из падавших и терявших время за завалами стал лучший многодневщик современности Альберто Контадор, впервые за 6 лет не сумевший выиграть Гранд Тур, в котором он стартовал. После гонки, из-за употребления допинга, результат Контадора, занявшего 5-е место в генеральной классификации, был аннулирован.
В гонке стартовало 198 спортсменов, представляющих 22 команды: все 18 команд UCI ProTour плюс 4 континентальных команды
Первый этап был ознаменован множественными завалами и падениями. На последних десяти километрах произошло 2 серьёзных завала, в результате, которых образовалась лидирующая группа. Перед финишем попытки попытки атаковать предпринимали Денис Галимзянов из Катюши, Александр Винокуров («Астана») и Фабиан Канчеллара (Leopard Trek), но все они не увенчались успехом. А Филиппа Жильбера настичь никто не сумел. Вторым финишировал Кэдел Эванс (BMC), третьим — Тур Хусховд (Garmin-Cervelo).