MotoGPクラス2日目は、現地時間午前10時10分から30分間のフリー走行、午前11時00分からQ1、11時25分からQ2が行なわれた。前日に行なわれたフリー走行2で転倒を喫したジョアン・ミル（ホンダ）は検査で右手小指周囲に損傷があるとして今大会を欠場することが発表されている。

　フリー走行3の天候は曇り、気温25度、路面温度30度というコンディションで、セッション開始直後から各ライダーアタックを敢行し、多くのライダーがトップタイムを塗り替えていく。残り5分、アウグスト・フェルナンデス（ガスガス）が14コーナーで転倒しマシンが大破。赤旗が提示されるもその後セッションは再開され、フランチェスコ・バニャーヤ（ドゥカティ）がトップ、2位ルカ・マリーニ（ドゥカティ）、3位ファビオ・クアルタラロ（ヤマハ）というトップ3となった。

　フリー走行の総合結果11位以下のライダーで行なわれるQ1は、曇りのまま気温23度、路面温度30度のドライコンディションで行なわれた。Q2に進出できる上位2名に入ったのは1分45秒231を記録したアレックス・マルケス（ドゥカティ）と1分45秒559までタイムを詰めたジャック・ミラー（KTM）となった。フリー走行3でトップ3に入ったクアルタラロだったが、1分45秒755でQ1を5位で終え、Q2進出を逃してしまった。MotoGPクラスに参戦する唯一の日本人ライダー中上貴晶(ホンダ)は1分45秒860でQ1では6位に入った。

　Q2前半ではエネア・バスティアニーニ（ドゥカティ）が転倒する中、ホルヘ・マルティン（ドゥカティ）が1分45秒268をマークし暫定のトップに浮上。セッション中盤に差し掛かるとマルク・マルケス（ホンダ）がバニャーヤの後ろにつきタイム更新を狙い、バニャーヤに次ぐ2位にポジションをあげる。各車ラストアタックに入るも、バニャーヤが記録したオールラップレコードとなる1分44秒855を更新するライダーは現れず、バニャーヤのポールポジションが確定した。2位に1分44秒933のマルク・マルケス、3位にアレックス・マルケスがつけた。また、アレックス・マルケスには前戦フランスGPで受けた3グリッド降格のペナルティが適応されるため、決勝は6番グリッドからのスタートとなる。

MotoGP第6戦イタリアGP MotoGPクラス2日目予選総合結果
1 フランチェスコ・バニャーヤ（ドゥカティ）1分44秒855（Q2）
2 マルク・マルケス（ホンダ）1分44秒933（Q2）
3 アレックス・マルケス（ドゥカティ）1分45秒007（Q2）
4 ジャック・ミラー（KTM）1分45秒186（Q2）
5 ホルヘ・マルティン（ドゥカティ）1分45秒268（Q2）
6 マルコ・ベゼッキ（ドゥカティ）1分45秒290（Q2）
7 アレイシ・エスパロガロ（アプリリア）1分45秒380（Q2）
8 ヨハン・ザルコ（ドゥカティ）1分45秒627（Q2）
9 アレックス・リンス（ホンダ）1分45秒702（Q2）
10 ブラッド・ビンダー（KTM）1分45秒731（Q2）
11 ルカ・マリーニ（ドゥカティ）1分46秒119（Q2）
12 エネア・バスティアニーニ（ドゥカティ）1分46秒884（Q2）
13 マーベリック・ビニャーレス（アプリリア）1分45秒846（Q1）
14 フランコ・モルビデリ（ヤマハ）1分46秒238（Q1）
15 ファビオ・クアルタラロ（ヤマハ）1分45秒860（Q1）
16 中上貴晶（ホンダ）1分46秒506（Q1）
17 ミケーレ・ピロ（ドゥカティ）1分46秒002（Q1）
18 ミゲール・オリベイラ（アプリリア）1分46秒003（Q1）
19 ファビオ・ディ・ジャンアントニオ（ドゥカティ）1分46秒170（Q1）
20 ラウル・フェルナンデス（アプリリア）1分46秒347（Q1）
21 アウグスト・フェルナンデス（ガスガス）1分46秒359（Q1）
22 ロレンツォ・サバドーリ（アプリリア）1分47秒244（Q1）
23 ジョナス・フォルガー（ガスガス）1分47秒806（Q1）