Schon in seiner vierten Runde fuhr Jorge Lorenzo im zweiten Freien Training zum Italien Grand Prix am Nachmittag in Mugello eine schnellste Runde von 1:48.076 Minuten, mit der er sich direkt den vordersten Rang sicherte und nicht mehr abgab. Dani Pedrosa folgte allerdings mit nur 0.031 Sekunden Rückstand dicht hinter seinem Landsmann. Nicky Hayden platzierte seine GP12 auf den dritten Rang. Auch der Amerikaner verlor nur sacht Hundertstelsekunden auf Lorenzo.

Hector Barbera konnte sich direkt hinter Hayden einreihen. Andrea Dovizioso komplettierte die Top-5. Casey Stoner kam mit 0.451 Sekunden Rückstand auf Rang sechs vor Ben Spies und Cal Crutchlow. Valentino Rossi fuhr in seiner letzten Runde noch auf den neunten Platz vor und schob Stefan Bradl damit auf Position zehn zurück. Alvaro Bautista folgte als Elfter. Aleix Espargaro fuhr mit einer 1:50.603 die schnellste CRT-Zeit, verlor nur knappe zwei Sekunden auf Lorenzo und ließ diesmal Randy de Puniet knapp hinter sich.

Michele Pirro folgte hinter dem Aspar-Duo und vor Yonny Hernandez auf Rang 14. Mattia Pasini, Colin Edwards, James Ellison, Danilo Petrucci und Ivan Silva bildeten das untere Ende der Zeitenliste.

Bautista rutschte schon zu Beginn der Session übers Vorderrad weg und stürzte bei hohem Tempo in Kurve eins. Kurz danach kam auch Lorenzo an gleicher Stelle von der Strecke ab. Barbera flog auch heftig von seiner Ducati ab. Beim Herumfliegen der GP12 wurde viel Kies auf der Strecke verteilt. Deshalb wurde die Session zunächst unterbrochen, nach schnellem Einsatz einiger Streckenposten aber wenige Minuten später fortgesetzt. Auch de Puniet kam gleich nach der Unterbrechung in der ersten Kurve von der Strecke ab. Hernandez stürzte zur Sessionmitte.