Valgren, parti avec sept autres coureurs à 150 km de l'arrivée, a lancé l'attaque décisive avec le Français Julian Alaphilippe à 26 km de Mombaroccio.
Il s'est retrouvé seul en tête à cinq kilomètres du terme de l'étape et a résisté au retour des favoris pour signer sa première victoire depuis 2021, quatre ans après une lourde chute dans la Route d'Occitanie en 2022 qui avait failli l'obliger à mettre un terme à sa carrière.
Valgren, 34 ans et vainqueur de l'Amstel Gold Race en 2018, a devancé de 11 secondes Del Toro et l'Américain Matteo Jorgenson.
Del Toro a repris le maillot bleu de leader à l'Italien Giulio Pellizzari (Red Bull-Bora-Hansgrohe) qui a conclu l'étape à la 6ᵉ place à 30 secondes de Valgren.
Le Mexicain dispose désormais de 23 secondes d'avance sur Pellizzari et de 34 secondes sur Jorgenson.