El transalpino de Astana atacó a 2,3 kilómetros para la meta, que cruzó con una renta de 16 segundos con el irlandés Daniel Martin, y 20 con Froome y el australiano Richie Porte.
El español Alberto Contador se dejó 26 segundos en la meta y el colombiano Nairo Quintana 34.
Tras el primer test en montaña, Chris Froome, el ganador de las dos últimas ediciones, logró el maillot amarillo en una cima que se sube por quinta vez y en la que, hasta ahora, el que la ha conquistado ha ganado el Tour.
Froome, que busca su cuarto Tour de Francia, es líder con 12 segundos sobre su compatriota y compañero en el Sky, Gearint Thomas, que desde la contrarreloj inaugural de Düsseldorf lideraba la carrera, y 14 sobre Aru, que aparece como la principal amenaza para el Sky.
Martin es cuarto a 25 segundos, Porte quinto a 39 y el británico Simon Yates sexto a 43.
El francés Romain Bardet, segundo de la pasada edición, está a 47 segundos, Contador a 52 y Quintana a 54.