Nach einer spannenden Schlussphase der Qualifikation zum Italien Grand Prix in Mugello sicherte sich Dani Pedrosa mit einer Bestzeit von 1:47.284 Minuten schließlich die Pole-Position. Jorge Lorenzo musste beim Versuch sich noch weiter zu verbessern frühzeitig in die Box zurück. Der Mallorquiner hatte ein Problem mit der Elektronik, dennoch startet er das Rennen von Rang zwei. Hector Barbera pilotierte seine Kunden-Ducati auf den dritten Rang und damit zum ersten Mal in die erste Startreihe.

Nicky Hayden kam zu Beginn der Session kurz von der Strecke ab, schaffte es am Ende aber noch auf den vierten Platz. Casey Stoner kam über Startrang fünf nicht hinaus. Cal Crutchlow verdrängte seinen Teamkollegen, Andrea Dovizioso, noch in seiner letzten Runde aus der zweiten Startreihe. Der Italiener musste mit Rang sieben Vorlieb nehmen. Stefan Bradl sicherte sich die achte Position vor Ben Spies.

Valentino Rossi belegte Platz zehn vor Alvaro Bautista. Aleix Espargaro fuhr wie am Morgen die schnellste CRT-Zeit und sicherte sich mit nur 2.103 Sekunden Rückstand auf Pedrosa den zwölften Startrang, gefolgt von seinem Teamkollegen Randy de Puniet. Michele Pirro und Yonny Hernandez komplettierten die Top-15. James Ellison landete auf Rang 16, vor Mattia Pasini und Ivan Silva. Colin Edwards und Danilo Petrucci bildeten die Schlusslichter der Zeitentabelle.

Spies rutschte zur Sessionhälfte in Kurve zwölf in den Kies, wenige Minuten später stürzte Crutchlow an gleicher Stelle. Beide konnten aber weiterfahren.