Felipe Massa wygrał pierwszy w historii wyścig Formuły 1 w Walencji, choć z początku nie było wiadomo, jaką karę mogą mu przyznać sędziowie za to, że zespół Ferrari wypuścił go zbyt wcześnie ze stanowiska serwisowego w boksach. Skończyło się jednak tylko na reprymendzie i grzywnie w wysokości 10.000 euro dla Ferrari. Drugie miejsce zajął Lewis Hamilton (McLaren), a na najniższym stopniu podium stanął wreszcie po kilku nieudanych wyścigach Robert Kubica (BMW Sauber). Jednym z największych pechowców był tymczasem Kimi Raikkonen (Ferrari), który najpierw potrącił mechanika w boksach, by ostatecznie odpaść z wyścigu po awarii silnika.

Massa wystartował bardzo dobrze i utrzymał się na prowadzeniu. Kubica próbował wyprzedzić w pierwszym zakręcie Lewisa Hamiltona (McLaren), ale ostatecznie nie udało się i Polak pozostał na trzeciej pozycji. Tymczasem Heikki Kovalainen (McLaren) wyprzedził Raikkonena i awansował na czwarte miejsce. Sebastian Vettel (Toro Rosso) i Jarno Trulli (Toyota) utrzymali się na miejscach 6 i 7, natomiast Nick Heidfeld (BMW Sauber) został wyprzedzony przez Nico Rosberga (Williams) i spadł na 9 miejsce. Ponadto Timo Glock (Toyota) wyprzedził Sebastiena Bourdaisa (Toro Rosso) i awansował do pierwszej dziesiątki.

W dalszej części pierwszego okrążenia Kazuki Nakajima (Williams) uderzył w tył bolidu Fernando Alonso (Renault), eliminując Hiszpana z domowego wyścigu. Japończyk po wymianie przedniego skrzydła powrócił tymczasem na tor na ostatnim miejscu. Ponadto jakąś przygodę miał David Coulthard (Red Bull), który wpadł po kontakcie z innym bolidem w poślizg, ale stracił z tego powodu bardzo mało czasu. Szkot szybko przystąpił do odrabiania strat, wyprzedzając na 5 okrążeniu jadącego na 16 pozycji Nelsona Piqueta Jr (Renault). Na 7 okrążeniu Coulthard próbował wyprzedzić także Adriana Sutila (Force India), ale zaczepił o jego tylne koło i wpadł w poślizg, który kosztował go spadek na 18 miejsce.

Po 10 okrążeniach przewaga Massy nad Hamiltonem wynosiła 3,8 sekundy. Kubica tracił już do lidera 13 sekund i jechał wyraźnie wolniej od czołówki. Polak sugerował nawet przez radio, że może mieć jakiej problemy z bolidem, ale na razie kontynuował jazdę, utrzymując za plecami Kovalainena i Raikkonena. W tym momencie tempo Kubicy zaczęło się jednak poprawiać i wyglądało na to, że sytuacja nie jest taka zła. Zespół poinformował przez radio, że dostrzegł jakiś przedmiot przyczepiony w przedniej części auta, i że usunie go podczas postoju. Na 12 okrążeniu Polak zdołał odskoczyć Kovalainenowi na ponad dwie sekundy, a na kolejnym kolko zszedł poniżej jednej i minuty i 40 sekund, a więc był już bardzo szybki.

W międzyczasie Sutil wyprzedził kolegę z zespołu Force India – Giancarlo Fisichellę i awansował na 14 miejsce. Na 14 okrążeniu pierwszy postój wykonał Coulthard. Na kolejnym kółku w boksach pojawił się także lider wyścigu – Massa. Brazylijczyk na tor powrócił tuż przed Raikkonenem na czwartej pozycji. Hamilton po znalezieniu się na prowadzeniu narzucił bardzo szybkie tempo i zaczął budować przewagę przed postojem, który odbył na 16 okrążeniu, wraz z Vettelem. Brytyjczyk na tor powrócił za Raikkonenem na piątej pozycji, a tymczasem prowadzenie objął Kubica. Polak pierwszy postój odbył na 17 okrążeniu wraz z Raikkonenem. Kubica na tor wrócił za Rosbergiem na szóstej pozycji, a Raikkonen za Glockiem na 9 pozycji.

Na 19 okrążeniu postoje odbyli Trulli i Bourdais, a tymczasem na prowadzeniu znalazł się Kovalainen. Fin w boksach pojawił się na 20 okrążeniu, a na tor powrócił tuz przed Heidfeldem na czwartej pozycji. Massa, Hamilton i Kubica powrócili w tym momencie na miejsca 1-3. Postój miał już za sobą także Rosberg, który spadł na 10 miejsce. Przed nim jechali Heidfeld, Glock (obaj jeszcze bez postoju), Trulli i Vettel. Heidfeld swój pierwszy postój wykonał na 22 okrążeniu, po którym spadł za Marka Webbera (Red Bull) na 11 miejsce. Ostatni kierowca bez postoju w czołówce – Glock podążał spokojnie na piątej pozycji i wyglądało na to, że może jechać tylko na jeden stop. W podobnej sytuacji był Webber – Australijczyk postój wykonał na 28 okrążeniu i na tor powrócił na 13 pozycji na bardziej miękkich oponach, potwierdzając taka właśnie strategię.

Po 30 okrążeniach Massa miał już ponad 8 sekund przewagi nad Hamiltonem. Trzeci Kubica tracił ponad 24 sekundy do lidera, mając z kolei blisko pięć sekund przewagi nad Kovalainenem. Glock w boksach pojawił się w końcu pod koniec 30 okrążenia, a po powrocie do walki zajmował 9 miejsce. Fakt, że miał już zatankowany bolid do końca wyścigu oznaczał, że Niemiec był w dość dobrym położeniu, mając perspektywy na 6-8 miejsce. Tylko na jeden pit-stop jechał także Piquet, który w boksach pojawił się na 34 okrążeniu. Brazylijczyk po powrocie na tor zajmował 12 miejsce, mając blisko 20 sekund straty do Bourdaisa.

Massa swój drugi i zarazem ostatni postój wykonał na 37 okrążeniu i spadł tymczasowo na drugie miejsce. Brazylijczyk o mały włos nie zderzył się z Sutilem w wyjeździe z boksów, ale wszystko skończyło się szczęśliwie. Hamilton drugi postój odbył na 39 okrążeniu, ponownie wraz z Vettelem. Wcześniej w boksach był także Rosberg. Massa powrócił w tym momencie na prowadzenie, a na 40 okrążeniu ostatni postój wykonał Kubica, mając już osiem sekund przewagi nad Kovalainenem. Tymczasem sędziowie zaczęli analizować niebezpieczny wyjazd z boksu Massy, a więc pojawiła się groźba kary przejazdu przez boksy. W końcu jednak organizatorzy poinformowali, że incydent Massy zostanie rozpatrzony dopiero po wyścigu.

Na 41 okrążeniu drugie postoje odbyli Trulli i Heidfeld, a na kolejnym okrążeniu w boksach pojawili się Kovalainen i Raikkonen. Obaj kierowcy mieli problemy, przy czym Raikkonen znacznie większe, gdyż ruszył z miejsca jeszcze przed odczepieniem węża do tankowania, przewracając mechanika, który po chwili trafił na noszach do centrum medycznego na torze. Fin w końcu powrócił na tor za Trullim na szóstej pozycji, ale na 46 okrążeniu w jego bolidzie zepsuł się silnik i kierowca Ferrari odpadł z walki. Pierwsza dziesiątka wyglądała w tym momencie następująco: Massa, Hamilton (+7,6s), Kubica (+35,2s), Kovalainen (+40,3s), Trulli (+47,7s), Vettel (+51,1s), Glock (+62,5s), Rosberg (+64,0s), Heidfeld (+78,1s) i Bourdais (+81,5s).

Na 53 okrążeniu Nakajima wyprzedził Rubensa Barrichello (Honda) i awansował na 15 miejsce. Do końca wyścigu kolejność kierowców nie uległa już zmianie. Massa odniósł czwarte zwycięstwo w tym sezonie, a na pozostałych stopniach podium stanęli Hamilton i Kubica. Na pozostałych pozycjach punktowanych finiszowali Kovalainen, Trulli, Vettel, Glock i Rosberg.