En périphérie de Nancy et séparée de celle-ci par la Meurthe, Tomblaine est ville-départ pour la troisième fois en dix ans (après 2012 et 2014)[2]. L'étape met le cap au sud-est, d'abord vers Lunéville, la capitale ducale de Lorraine au XVIIIe siècle, le Versailles lorrain. L'entrée dans le département des Vosges s'effectue peu avant Rambervillers, où la route s'élève progressivement vers les ballons vosgiens pour atteindre Gérardmer et son lac (sprint intermédiaire, km 101,2), au pied de la première difficulté du jour, le col de Grosse Pierre (3,1 km à 6,4 %, 3e catégorie). Non répertorié, le col du Ménil précède le col des Croix (3,2 km à 6,3 %, 3e catégorie) qui ouvre la porte de la Haute-Saône. Depuis Fresse, le col de la Chevestraye (non répertorié) introduit le final de l'étape, avant de basculer dans la vallée du Rahin et la montée finale vers la super Planche des Belles Filles (7 km à 8,7 %, 1re catégorie), arbitre des 176,3 km de course[1]. En l'espace de dix ans, cette dernière est devenue une ascension référence dans l'histoire du Tour de France. D'ailleurs, cette étape est un clin d'œil à celle de 2012, lorsque l'ascension a été empruntée pour la première fois. Comme en 2019, l'ascension est prolongée d'un kilomètre sur un chemin non goudronné, dit en gravel, en impasse, avec une pente maximale à 24 %.
Une mauvaise entente règne dans le groupe de tête. Dans l'ascension du col de Grosse Pierre (3,1 km à 6,4 %, 3e catégorie), les meilleurs grimpeurs tentent de distancer les moins bons. Au sommet, Geschke passe en tête d'un groupe composé de Durbridge, Kämna, Schachmann et Teuns, avec deux minutes et quarante secondes d'avance sur le peloton. Barthe et Erviti parviennent à faire leur retour dans le col du Ménil (non répertorié). Au col des Croix (3,2 km à 6,3 %, 3e catégorie), Simon Geschke passe en tête devant Dylan Teuns, avec un avantage de deux minutes et quarante secondes sur le peloton.