Bezzecchi dan Bagnaia sempat saling menyalip pada awal sesi balapan. Namun, pada akhirnya Bagnaia berhasil kembali menempati posisi kedua di belakang Martin.
Petaka tiba pada lap ke-8 bagi Brad Binder yang terjatuh pada tikungan 14. Setelah itu, Jack Miller juga harus mengakhiri balapan lebih cepat setelah disenggol oleh Michele Pirro.
Para pembalap di barisan depan bersaing sengit dan saling adu cepat untuk menempati posisi terbaik. Pada lap ke-18, Martin makin menjauh dari para pembalap di belakangnya dengan mencatatkan waktu satu detik di depan Bagnaia di posisi kedua.
Pada akhirnya, Martin sukses mempertahankan posisinya hingga akhir balapan dan sukses menjuarai MotoGP San Marino 2023. Marco Bezzecchi dan Francesco Bagnaia melengkapi podium dengan finis kedua dan ketiga.