MotoGP第5戦カタルニアGPの決勝日は朝から雲に覆われ、MotoGPクラスの朝のウオームアップセッションは雨が降り始め、ウエットコンディションとなったが、その後、天候は回復、決勝レースは、全クラスドライコンディションで争われた。
MotoGPクラスでは、ホルヘ・ロレンソ（ヤマハ）が優勝。決勝では好スタートを決めたのはダニ・ペドロサ（ホンダ）。ベン・スピース（ヤマハ）が2位で続く。ところが、スピースは3周目の3コーナーでアウトにふくらみ、そのままコースアウトして転倒を喫してしまう。序盤はペドロサがレースをリードし、これにロレンソ、アンドレア・ドビジオーゾ（ヤマハ）、カル・クロッチロウ（ヤマハ）、ケーシー・ストーナー（ホンダ）が続く展開となったが、ポールスタートのストーナーはスタートで出遅れてしまった。
トップ争いは7周目の1コーナーでロレンソがペドロサを交わすが、11周目にはペドロサが1コーナーでトップを奪還。続く8周目の1コーナーでロレンソがラインを外し、ペドロサとロレンソの差が広がる。これでペドロサが逃げ切るかと思われたが、ロレンソは少しづつその差を縮め、終盤の18周目にはペドロサの背後まで迫った。
19周目の9コーナーからバックストレートに出るところでペドロサのマシンのフロントが大きく浮き、続く10コーナーの進入でラインがややワイドとなったペドロサのインをロレンソが突いてトップに立つと、その後、ロレンソはペドロサの追撃を振り切って、前戦フランスに続いて2連勝となる今季3勝目をマークした。
ペドロサはロレンソを追うことができず2位でゴール。ドビジオーゾが3位入賞を果たし、今季初表彰台を獲得した。ストーナーはクロッチロウと序盤から終盤までバトルを展開したが、最後に前を行くドビジオーゾの背後をうかがえる位置まで追い上げたものの、わずかに届かず4位。昨年の第3戦ポルトガル以来続いていた連続表彰台記録が途絶えた。
クロッチロウが5位で続き、アルバロ・バウティスタ（ホンダ）が6位でゴール。バレンティーノ・ロッシ（ドゥカティ）は7位、ステファン・ブラドル（ホンダ）が8位、ニッキー・ヘイデン（ドゥカティ）が9位に入賞。スピースはすぐに再スタートを切り、追い上げて10位に入賞した。
エクトル・バルベラ（ドゥカティ）は11位、カレル・アブラハム（ドゥカティ）は12位に入賞。接戦が展開されたCRT勢のトップ争いは、アレックス・エスパルガロ（ART）が制して13位入賞。ミケーレ・ピロ（FTR）が14位、ランディ・ド・ピュニエ（ART）が15位、ジェームス・エリソン（ART）が16位で続いた。
以下、マティア・パシーニ（ART）は17位、ヨニー・エルナンデス（FTR）は18位、ダニロ・ペトルッチ（イオダ）は19位、イバン・シルバ（BQR）は20位でゴール。、コーリン・エドワーズ（スーター）は残り1周でピットに戻りリタイアとなった。
チャンピオンシップポイント争いでは、ロレンソが115ポイントでトップ、ランキング2位に95ポイントでストーナー、ランキング3位に85ポイントでペドロサの順となった。
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Moto2クラスではアンドレア・イアンノーネ（スピードアップ）が優勝した。イアンノーネはスタートで飛び出し、1周目にトップに立つと、レースをリードしていく。序盤の混戦の後、イアンノーネに続いてマルク・マルケス（スーター）、トーマス・ルティ（スーター）がトップグループを形成する。6周目にはトップの3台がやや抜け出し、単独4位にポル・エスパルガロ（カレックス）が続く。
トップ争いは何度かポジションを入れ替えるものの、だれも抜け出せないまま、エスパルガロも加わり、4台のバトルとなる。終盤の21周目の10コーナーで、ルティがマルケスを交わして2番手に浮上。このときマルケスが大きく振られ、エスパルガロがマルケスのインを差す。しかし、なんとかコントロールを取り戻そうとしたマルケスがインに寄り、エスパルガロが接触。マルケスは転倒を免れたものの、エスパルガロは転倒してしまい、リタイアとなる。
このアクシデントでマルケスは遅れてしまい。トップ争いはイアンノーネとルティの一騎打ちとなる。最終ラップの10コーナーでルティがイアンノーネのインを突いて前に出るが、クロスラインでイアンノーネが抜き返し、そのままトップでチェッカーを受け、今シーズン初優勝を達成した。
2位にルティ、3位にマルケスが続き、ポイントリーダーのエスパルガロが転倒でノーポイントに終ったため、ルティがポイントリーダーに浮上、マルケスがランキング2位で続いている。
4位にエステブ・ラバット（カレックス）、5位にシモーネ・コルシ（イオダ）が続き、中盤から終盤にかけてポジションを上げた中上 貴晶（カレックス）が6位入賞を果たした。
ドミニケ・エジャーター（スーター）が7位、ランディ・クルメナヒャー（スーター）が8位、ミカ・カーリョ（カレックス）が9位、スコット・レディング（カレックス）が10位に入賞。高橋 裕紀（スーター）は21位でチェッカーを受けた。
なお、レース後、マルケスとエスパルガロの接触に対して、レースディレクションがマルケスのレースタイムに対して1分間のペナルティを与える裁定を下し、いったんはマルケスは23位となり、ラバット以下の順位が繰り上がる決定が下されたが、マルケスのチームがアピールを行ない、FIMのスチュワードにより、このペナルティが無効とされた。この結果、最終リザルトは最初に出された正式結果どおりとなった。
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Moto3クラスではマーベリック・ビニャーレス（FTRホンダ）が優勝した。スタートでトップに立ったのはルイ・ロッシ（FTRホンダ）だったが、予選2番手のズルファミ・カイルディン（KTM）が2周目にトップに立つ。3周目の1コーナー進入でビニャーレスはトップを奪い、その後、ロッシ、エフレン・バスケス（FTRホンダ）と共にトップ争いを展開。一時は3番手以下の集団に1秒近い差をつけていたが、競り合いでペースが上がらず、後続の接近を許してしまい、8周目にはトップ集団は8台にふくれあがる。
ビニャーレスは10周目には自己ベストを記録して、単独トップに立つと、後続との差を広げていく。2番手争いは集団のバトルとなり、この結果、ペースが上がらず、ビニャーレスの先行を許してしまった。
ビニャーレスは15周目に約6秒、20周目には約11秒と大量リードを築き、ホームレースで今季2勝目を記録した。
2番手争いは最終的に8台のバトルとなり、最終ラップの1コーナーでこの集団の先頭に立ったサンドロ・コルテセ（KTM）が2位入賞。ミゲール・オリベイラ（スーター・ホンダ）がは3位に続いた。
ルイ・ロッシ（FTRホンダ）はレース終盤の接触により、マシンのマフラーに損傷を受けたが、4位でゴール。アレクシス・マスボー（ホンダ）が5位、アレックス・マルケス（スーター・ホンダ）が6位、エクトル・ファウベル（カレックスKTM）が7位で続き、カイルディンは最終的に8位でゴールとなった。ロマーノ・フェナティ（FTRホンダ）が9位、ルイ・サロム（カレックスKTM）が10位に入賞。藤井 謙汰（ホンダ）は追い上げて25位でチェッカーを受けた。
