Ze względu na wymianę silnika przed rozpoczęciem kwalifikacji pozycja startowa Zsolta Baumgartnera (Minardi) została obniżona o 10 miejsc. Podobny los spotkał również Kimi Raikkonena, przy czym kierowca z zespołu McLaren w ogóle nie zaliczył okrążenia pomiarowego na kwalifikacjach i do wyścigu i tak musiał przystąpić z ostatniej pozycji. W tej sytuacji z obniżenia pozycji startowej Baumgartnera skorzystał tylko Giancarlo Fisichella (Sauber), który ustawił się na 18 polu startowym.

Jenson Button (B.A.R) wystartował bezbłędnie i tuż przed pierwszym zakrętem miał już bezpieczną przewagę nad Michaelem Schumacherem (Ferrari). Z pierwszej trójki najmniej udany start miał Juan Pablo Montoya, albo tak się przynajmniej z początku wydawało. Kolumbijczyk musiał uciec się do zablokowania partnera z zespołu Williams – Ralfa Schumachera, aby utrzymać się na trzeciej pozycji. Potem jednak okazało się, że wystartował nie gorzej od kierowców Ferrari i tuż za pierwszym zakrętem zaczął dobierać się do skóry starszego z braci Schumacherów, który na nierozgrzanych oponach Bridgestone dosyć wolno pokonywał zakręty. Tymczasem Ralf po dojechaniu do pierwszego zakrętu zmusił drugiego kierowcę Ferrari – Rubensa Barrichello do zahaczenia o pobocze i w ten sposób zapewnił sobie czwartą pozycję, natomiast Brazylijczyk został dodatkowo wyprzedzony przez partnera Buttona – Takumę Sato i spadł na szóstą pozycję. Dla Sato była to już druga zyskana pozycja, gdyż tuż po starcie udało mu się również wyprzedzić Fernando Alonso. Kierowca Renault był na najlepszej drodze do poprzestania na utracie tylko jednego miejsca, gdy tuż przed pierwszym zakrętem został uderzony w tył przez Davida Coultharda (McLaren). Szkot najwyraźniej spóźnił się z hamowaniem i w wyniku zderzenia stracił przednie skrzydło, a następnie znalazł się poza torem. Z kolei Alonso został wyprzedzony przez partnera z francuskiej stajni – Jarno Trullego oraz Marka Webbera (Jaguar) i wylądował na dziewiątej pozycji, ale przynajmniej jego bolid wydawał się być cały.

Na 10 pozycji utrzymał się Cristiano da Matta, a tuż za nim znalazł się jego partner z Toyoty – Olivier Panis, który oprócz skorzystania z problemów Coultharda wyprzedził Felipe Massę (Sauber) i w ten sposób zyskał aż dwa miejsca. Podobnie wyglądała sytuacja w przypadku Giorgio Pantano (Jordan) – Włoch tuż po starcie wyprzedził Christiana Kliena (Jaguar) i po wyminięciu starającego się powrócić na tor kierowcę z zespołu McLaren awansował na 13 pozycję. Klien tymczasem został także wyprzedzony przez Fisichellę, który wcześniej uporał się z wyprzedzeniem Gianmarii Bruniego (Minardi) oraz Nicka Heidfelda (Jordan) i w połączeniu z kaskaderskim wyczynem Coultharda zyskał aż cztery miejsca. Raikkonen także przesunął się o cztery pozycje do przodu, gdyż udało mu się przeskoczyć obydwu kierowców Minardi oraz Heidfelda, a na koniec wyminął swojego partnera z zespołu McLaren i znalazł się tuż za Klienem na 16 pozycji. Coulthard ostatecznie wylądował na ostatniej pozycji i w dodatku czekała go przymusowa wizyta w boksach.

Na drugiej prostej Michael Schumacher musiał uciec się do jazdy zygzakiem, aby nie dopuścić do utraty drugiej pozycji na rzecz Montoi. Kolumbijczyk nie dawał jednak za wygraną i pod koniec kolejnej, dosyć krótkiej prostej poprzedzającej najwolniejszy zakręt (Tosa) postanowił zaatakować Niemca po zewnętrznej. Obaj kierowcy zakręt ten zaczęli pokonywać jadąc obok siebie, ale wkrótce Montoya znalazł się poza torem, ponieważ Schumacher nie zostawił mu wolnego miejsca. W ten sposób kierowca Ferrari utrzymał się na drugiej pozycji, natomiast Montoya musiał jeszcze odeprzeć atak młodszego z braci Schumacherów. Uczynił to w podobnym do kierowcy Ferrari stylu, co Ralf przypłacił utratą czwartej pozycji na rzecz Sato. W międzyczasie Raikkonen wyprzedził Kliena i awansował na 15 pozycję. Pod koniec pierwszego okrążenia Coulthard zjechał do boksów, gdzie oprócz nowego przedniego skrzydła otrzymał także nowe opony i dodatkowy zapas paliwa, aby w dalszej części wyścigu boksy musiał odwiedzać już tylko dwukrotnie. Po powrocie na tor Szkot miał już 50 sekund straty do lidera.

Po pierwszym okrążeniu przewaga Buttona nad Michaelem Schumacherem wynosiła już ponad dwie i pół sekundy przewagi. Kiedy jednak opony w bolidzie Niemca osiągnęły optymalną temperaturę, różnica czasowa dzieląca obydwu kierowców zaczęła się szybko zmniejszać i po czterech okrążeniach wynosiła już mniej niż sekundę. W międzyczasie Massa wyprzedził na drugim okrążeniu Panisa i awansował na 11 pozycję. Na siódmym okrążeniu nastąpiła awaria hydrauliki w bolidzie jadącego na 13 pozycji Pantano. Włoch zjechał z toru i opuścił swój bolid, a na pozycje od 13 do 19 awansowali w tym momencie Fisichella, Raikkonen, Klien, Heidfeld, Bruni, Baumgartner i Coulthard. Pod koniec siódmego okrążenia da Matta i Massa zapoczątkowali pierwszą rundę postojów w boksach. Pozostali kierowcy z wyjątkiem Fisichelli i Raikkonena pierwsze postoje zaliczyli do 15 okrążenia włącznie.

W trakcie pierwszej rundy postojów nastąpiła zmiana na prowadzeniu, które dzięki późniejszej o dwa okrążenia (przejechane w błyskawicznym tempie) wizycie w boksach objął Michael Schumacher. W dodatku postój Niemca był o dwie sekundy krótszy od postoju Buttona i po powrocie na tor obydwu kierowców dzieliło już pięć sekund. Montoya utrzymał się na trzeciej pozycji, ale jego strata do lidera po 12 okrążeniach wynosiła już ponad 15 sekund. Tymczasem na czwartą pozycję awansował Trulli, przeskakując podczas pierwszej rundy postojów Barrichello, Ralfa Schumachera i Sato. Postój Japończyka był podobnie jak w przypadku Buttona dosyć długi, co mogło sugerować zatankowanie większej ilości paliwa. W każdym razie Sato spadł aż na ósmą pozycję, a przed nim znaleźli się Ralf Schumacher, Barrichello oraz Alonso, który podczas pierwszej rundy postojów wyprzedził także Webbera. Z kolei kierowcę z zespołu Jaguar dodatkowo przeskoczyli dwaj kierowcy, którzy najwyraźniej zdecydowali się tylko na dwa postoje i jeszcze nie zatrzymywali się w boksach – Fisichella i Raikkonen. Tuż za Webberem na 12 pozycji znalazł się Massa. Brazylijczyk stracił w sumie tylko jedno miejsce, gdyż dzięki krótszemu postojowi w boksach udało mu się wyprzedzić da Mattę. Na pozostałych pozycjach (od 14 do 19) podążali Panis, Heidfeld, Klien, Coulthard, Baumgartner i Bruni.

Na 17 okrążeniu Coulthard wyprzedził Kliena i awansował na 16 pozycję. Dwa okrążenia później Massa wyprzedził Webbera i w ten sposób powrócił na zajmowaną przed pierwszą rundą postojów 11 pozycję. W międzyczasie Heidfeld zaliczył efektowny piruet na jednym z szybszych zakrętów i wypadł z toru, ale jakimś cudem zdołał uniknąć zderzenia z bandą i po chwili był już powrotem na torze. W dodatku udało się mu utrzymać na 15 pozycji, gdyż miał znaczną przewagę nad kolejnym kierowcą. Na 20 i 21 okrążeniu pierwsze postoje w boksach zaliczyli w końcu Fisichella i Raikkonen. Obaj kierowcy w trakcie postojów zostali wyprzedzeni przez Massę, Webbera, da Mattę oraz Panisa i po powrocie na tor znaleźli się kolejno na 13 i 14 pozycji. W międzyczasie boksy po raz drugi odwiedzał Coulthard, przy czym dla Szkota był to dopiero pierwszy rutynowy postój w tym wyścigu, po którym ponownie znalazł się za Klienem na 17 pozycji.

Drugą rundę postojów pod koniec 14 okrążenia także zapoczątkował da Matta, a trwała ona aż do 33 okrążenia. Tym razem kolejność jadących na trzech czołowych pozycjach kierowców nie uległa zmianie. Michael Schumacher był nadal liderem, ale jego przewaga nad Buttonem, który podczas pierwszego postoju nie otrzymał wcale więcej paliwa i za drugim razem także wcześniej od kierowcy Ferrari odwiedzał boksy, wynosiła już ponad 15 sekund. Tymczasem jadący na trzeciej pozycji Montoya miał już ponad pół minuty straty do lidera. Pierwsza zmiana w kolejności kierowców nastąpiła na czwartej pozycji, na którą awansował młodszy z braci Schumacherów – Ralf, przeskakując podczas drugiej rundy postojów Trullego. Barrichello, Alonso i Sato nadal zajmowali pozycje od szóstej do ósmej, a tuż za nimi ponownie znaleźli się Fisichella i Raikkonen. Obaj kierowcy dzięki odmiennej strategii postojów tym razem już na stałe znaleźli się w pierwszej dziesiątce, gdyż tak jak i resztę czekała ich już tylko jedna wizyta w boksach. Na 11 pozycji utrzymał się Massa, a tymczasem jadącego za nim dotąd Webbera, który od pewnego czasu miał problemy z silnikiem, podczas drugiej rundy postojów wyprzedzili kierowcy Toyoty – da Matta i Panis. Na pozostałych pozycjach jazdę kontynuowali Coulthard, Heidfeld, Klien i Baumgartner. W międzyczasie z wyścigu odpadł Bruni ze względu na problemy z hamulcami.

Na 33 okrążeniu da Matta odbył karny przejazd przez strefę boksów za ignorowanie niebieskich flag, nakazujących przepuszczenie dublujących go kierowców. Niestety Brazylijczyk po powrocie na tor zapomniał włączyć z powrotem system kontroli trakcji, który wyłącza się automatycznie po użyciu ogranicznika prędkości w boksach i na pierwszym zakręcie wypadł z toru, kończąc tym samym udział w wyścigu. Dzięki temu na pozycje od 12 do 17 awansowali Panis, Webber, Coulthard, Heidfeld, Klien i Baumgartner. Na 39 okrążeniu Massa zapoczątkował trzecią i zarazem ostatnią rundę postojów. Zbiegła się ona w czasie z drugimi postojami Fisichelli oraz Raikkonena i trwała aż do 48 okrążenia. Po ostatnich postojach na czterech czołowych pozycjach nadal znajdowali się Michael Schumacher, Button (27 sekund straty), Montoya (50 sekund straty) i Ralf Schumacher (56 sekund straty). Na piątą pozycję awansował tymczasem Alonso, który najpóźniej ze wszystkich kierowców po raz trzeci odwiedzał boksy i dzięki temu udało mu się przeskoczyć Barrichello oraz partnera z zespołu Renault – Trullego. Sato utrzymał się na ósmej pozycji, a tuż za nim znalazł się Raikkonen, który tuż po drugim postoju wyprzedził Fisichellę. Na 11 i 12 pozycji nadal znajdowali się Massa i Panis, natomiast na 13 pozycję awansował Coulthard, który podczas ostatniej rundy postojów przeskoczył Webbera. Ponadto w wyścigu uczestniczyło już tylko dwóch kierowców – Klien i Baumgartner, gdyż Heidfeld tuż po ostatnim postoju zakończył jazdę ze względu na awarię układu przeniesienia napędu.

Na 50 okrążeniu Alonso dopadł Ralfa Schumachera i postanowił zaatakować go po wewnętrznej stronie wirażu Tosa. Ten jednak w ostatnim momencie "zamkną drzwi", czyli innymi słowy zajechał Hiszpanowi drogę i skończyło się to w jedyny z możliwych sposobów – w wyniku kolizji kierowca Williamsa wylądował na chwilę poza torem. Alonso osiągnąwszy swój cel ruszył w pogoń za Montoyą, natomiast młodszy z braci Schumacherów na tor powrócił za Barrichello na siódmej pozycji. Ostatnim zdarzeniem w tegorocznym wyścigu o Grand Prix San Marino była awaria silnika w bolidzie prowadzonym przez jadącego na ósmej pozycji Sato. Stało się to pięć okrążeń przed metą, a z kłopotów Japończyka skorzystał Raikkonen, który awansował na ostatnią punktowaną pozycję. Tymczasem Alonso zbyt późno dogonił Montoyę, aby mieć szansę na nawiązanie walki i linię mety przekroczył tuż za Kolumbijczykiem na czwartej pozycji.