Alors que Barrichello lutte avec les McLaren en course, Button se retrouve bloqué par Sebastian Vettel, en difficulté, au départ, et rétrograde en huitième position. Le Brésilien profite des arrêts aux stands de Hamilton et de Heikki Kovalainen (qui sont équipés du SREC) pour prendre la tête au dix-septième tour. Il se montre suffisamment rapide pour repartir devant le Finlandais après son ravitaillement survenu quatre tours plus tard. Au trente-sixième passage, Hamilton ravitaille à nouveau, laissant la première place à Barrichello qui la conserve, malgré son second arrêt, jusqu'à l'arrivée, remportant le dixième Grand Prix de sa carrière, le premier depuis le Grand Prix de Chine 2004. La course de Button se résume quant à elle à un duel avec Mark Webber, qu'il dépasse à treize tours de l'arrivée pour finir septième, à 34,9 secondes de son équipier. Barrichello, qui dédie sa victoire à Felipe Massa, obtient à Valence le centième succès d'un pilote brésilien en Formule 1 et la cent-cinquantième victoire du manufacturier Bridgestone. Cette performance lui permet de revenir à la deuxième place du championnat des pilotes avec 54 points, soit 18 de moins que Button. Brawn GP profite également que Red Bull n'ait marqué aucun point pour accroitre son avance de 12 unités, avec 126 points marqués.