決勝レースは、CESTで6月14日の15時（午後3時）に、栄誉あるル・マン24時間レースの公式スターターに選ばれた、2度のF1ドライバーズチャンピオンの座を獲得しているフェルナンド・アロンソの手によって、決勝レース開始の合図となるトリコロールが振られることにより開始された。54台が決勝レースに出走する中、トヨタ7号車に乗るアレクサンダー・ヴルツが、レース序盤の時間をポールポジションからの首位のポジションをほぼ維持して、リードする展開であった。ニコラ・ラピエールが乗るトヨタ8号車がニール・ジャニのポルシェ14号車を交わして2番手に浮上し、アンドレ・ロッテラーが乗るアウディ2号車が4番手にまで順位を上げ、ポルシェ20号車は残るアウディ勢2台にも抜かれ7番手に落ちた。トヨタ8号車からポルシェ20号車までが2番手グループを形成していた。「Garage 56」枠の日産・ZEOD RCは、目標として掲げていた「電力走行でサルト・サーキット1周」を成し遂げたもののギヤボックスの不具合により僅か6周でコース枠脇にストップし、チームによる車の改修要求がACOに拒絶された後、ル・マン決勝レースで最初のリタイア車両となった。そうしている間に、7周目のミュルサンヌ・シケインの出口でニコラ・ラピエールが乗るトヨタ8号車がスピンを喫し、決勝レースでの最初のスローゾーンが導入された。スピンしたトヨタ8号車に替わってアウディ2号車が2番手となった。一方、ポルシェ14号車はエンジンの燃圧低下に見舞われてスローダウンし、ピットで修理のために15分近く留まらなければならない状況に陥った。スタートから1時間20分ほどが経過した頃、サーキットの所々で雨に見舞われ、何台かのレースカーがコースコンディションの変化によってアクシデントに巻き込まれた。LMP2クラスのKCMGのオレカ-日産の47号車はクラス内グリッド7番手からレース序盤に一気に首位に躍り出る快走をみせていたが、ミュルサンヌ・シケインでハイドロプレーニングに見舞われてタイヤバリヤへ激突するなど、ミュルサンヌ一帯では出走車同士の多重クラッシュといった深刻なアクシデントが発生していた。ミュルサンヌとユノディエール・ストレート一帯は特に水量が多く、各車軒並み大幅なスローダウンを余儀なくされる状況の中、ラピエールがドライブするトヨタ8号車がオーバースピードで進入してブレーキングを行ったが、ハイドロプレーニング現象を起こしてコントロールを失い、バリアに激突した。8号車は安全のためスロー走行中であったマルコ・ボナノミが乗るアウディ3号車にぶつかり、3号車は更に、スローダウン隊列の中にいたLMGTE Amクラスで首位を走っていたAFコルセのサム・バードが乗るフェラーリ・458イタリア・GT2の81号車に突っ込む形となった。事故対応のためのセーフティカー走行が40分にわたって続く間、トヨタ8号車はフロント部分を失くした状態ながらも何とかピットに戻るが、修理時間におよそ50分がかかり、優勝戦線からは完全に脱落した。一方、アウディ3号車とAFコルセ81号車は車を再始動できず、結局リタイアに追い込まれた。グリーンフラッグが振られてレースが再開したおよそ15分後、サーキットは再び雨に見舞われ、更なる混乱が起こった。カルン・チャンドックが乗るマーフィー・プロトタイプスのオレカ48号車とマイケル・マネマンが乗るグリーヴス・モータースポーツの41号車との衝突や、AFコルセの62号車がクラッシュが起き、2度目のセーフティカー導入の事態となった。2度目のセーフティカー走行中にトヨタ7号車はピットインして、ドライバーをアレクサンダー・ヴルツからステファン・サラザンに交代しレインタイヤを装着するが、、同車のピットアウトとセーフティーカーランの隊列がメインストレートを通過するタイミングが重なったことから、トヨタ7号車はここでピットレーン出口での待機を余儀なくされ、ピットレーン出口の赤信号でストップしている間にポルシェ20号車が先頭に出た。雨が徐々に小降りとなる中、レースは再び再開され、ポルシェ陣営はトヨタと異なるピット・ストップ戦略をとり、ティモ・ベルンハルトとブレンドン・ハートレイのドライブでポルシェ20号車はレース開始後4時間経過までの1時間以上の時間もトヨタ7号車を抑え続けた。しかしながら、スタートから4時間強が経ったところでトヨタ7号車がポルシェ20号車を交わしてトップを奪還した。LMP1以外の他カテゴリーでもサーキットのコンディション変化はいろいろなハプニングをもたらした。LMGTE Amクラスでポルシェ・911 RSRを走らすデンプシー・レーシング-プロトンはウェット・コンディションにおけるタイヤ戦略を間違え、デンプシー・レーシング77号車はスリック・タイヤでの走行を続けていたが、やがてアストンマーティン98号車に抜かれることとなった。LMP2クラスでは、損傷したKCMG47号車が首位から脱落した後、レース・パフォーマンス・チームのオレカ-ジャッド34号車とシグナテック・アルピーヌの36号車の首位争いにオーク・レーシングのリジェ・JS・P2の35号車も加わり争う形となった。LMGTE Proクラスでは、4つのマニュファクチャラーによるそれぞれのレースカーの激しい争いとなり、周回ごとに何度も首位が入れ替わる展開となった。エンジンの燃圧低下という初めての大きなトラブルがあったLMP1-Hクラスを走るポルシェ・919ハイブリッドの14号車であるが、51位まで順位を落としてレースに復帰した後、6位まで順位を回復させた。一方、ポルシェ20号車はティモ・ベルンハルトからブレンドン・ハートレーに交代した後にイレギュラーのピットインがあった他、アルナージュでハートレーがコースアウトするなどして、2台のアウディに先行されることになり、4番手に順位を下げた。2番手に浮上したアウディ2号車はブノワ・トレルイエのドライブで同一のタイヤセットを4スティント連続で使用する戦略に出て、一時はトヨタ7号車とのタイム差を30秒弱にまで詰めたが、7号車が20時46分にステファン・サラザンから中嶋一貴にドライバー交代と同時にタイヤをすべて新品に換装し、フレッシュタイヤによる走りでアウディ2号車との差を1周につき2〜3秒ずつ引き離し始めた。日が暮れ、サーキットが本格的な夜間（ナイト）レースの状態になった頃には、トヨタ7号車は残るアウディ勢2台に対して1分以上の差を築いていた。LMP2クラスでは、オーク・レーシングのリジェ・JS・P2が、レース・パフォーマンスのオレカやシグナテック・アルピーヌに対してほぼ3分以上の差を付けて首位の座を固め始めた。LMGTE Proクラスでは、フェラーリ51号車とアストンマーティン97号車とコルベット74号車の間で、多くの周回でテール・トゥ・ノーズになるなど、接近した戦いが繰り広げられていた。コルベット73号車はエアジャッキシステムのトラブルで周回ペースが落ち、長いピット・ストップを強いられた。LMGTE Amクラスでは、98号車と95号車の2台のアストンマーティン勢によるレースの優位が続いていたが、真夜中の15日午前0時を迎える頃、98号車はパワステシステムのトラブルのため、ボンネットから煙を上げてピット・インしてきたことで、86周に渡って守り通してきたクラス首位の座から陥落した。レース開始からおよそ12時間が経とうとする午前3時前、アウディ1号車は突如スローダウンし、ピットでフュエルインジェクタの交換を強いられ、ポルシェ14号車も2度目の燃圧低下のトラブルが発生し、電力駆動のみでピットに戻ることを強いられた。午前4時59分、中嶋一貴がドライブするトヨタ7号車がレース残り9時間を残して、アルナージュ・コーナー付近のバリアの傍らに車を停め、電気系トラブルによって痛恨のリタイアを余儀なくされた。FIAに許可されたモニタリング装置（車載映像）も故障し、電源が落ちて無線も使えない状態であったため、中嶋は携帯電話を使ってピットからの指示を受けながら修理を試みたものの再始動は果たせず、トヨタはそれまで首位を走り続けていたレースカーをリタイアさせるという選択肢を選ぶ以外の他にとる道が残されていなかった。アウディ2号車が新しい首位となり、3周差でポルシェ20号車とアウディ1号車が続く展開となった。トヨタ7号車の走行停止からおよそ2時間後、アウディ2号車がターボチャージャーの交換に追い込まれ、20分に渡るピット作業で3番手まで順位を下げた。アウディ1号車がポルシェ20号車を交わして2番手に上がり、アウディ2号車がピット・イン中に首位となってそのままポルシェ20号車との差を1周差まで拡げた。LMGTE Proクラスでは、オルタネーターのベルトに付随する故障でコルベット74号車がトップ争いから脱落し、ピット作業の間に3周差を付けられてしまう。SMP・レーシングのフェラーリ・458イタリア・GT2の72号車に乗るヴィクトル・シャイタルはポルシェ・カーブのコース脇のセーフティバリアでクラッシュを喫し、リタイアに追い込まれた。それで損傷したエリアの補修をする必要な機材を移動させるため2周に渡ってセーフティカーが展開され、補修中の30分に渡るセーフティカー走行の間、スローゾーンは設けられた。グリーン・フラッグとなってレースが再開された後、オーク・レーシングのリジェ・JS・P2の35号車がエンジンとブレーキの問題でピット作業を余儀なくされ、やがてスローペースの状態のままレースに復帰した。2番手を走行していたティリエ・バイ・TDSレーシングのリジェ・JS・P2の46号車もまたサスペンションの故障で修理を要し、Jota-ザイテックの38号車がそれまでの上位2チームに替わって首位に立った。LMGTE Proクラスでは、アストンマーティン97号車がフェラーリ51号車との非常に接近した激しい戦いを繰り広げていたが、姉妹車のアストンマーティン98号車と同じパワステシステムのトラブルによって後退し、フェラーリ51号車はクラス2番手に上がった4ポルシェ92号車との2周差のセーフティリードを保ちながら走行を続けた。ほぼレースを21時間経過した時点で、トム・クリステンセンが乗るアウディ1号車は第1シケインを過ぎたところで一度ストップしてしまう。すぐに発進しレーシングスピードに戻ったが、1周した後ピット・インして給油後再びピットアウトするが、GTEクラス車両よりペースが上がらない。アウディは2号車と同様のトラブルを発生した1号車を再度ピットに戻し、2度目のターボチャージャー交換を行ない、わずか17分でターボ交換をやってのけたが、アウディ1号車はトップから4周遅れの3位へと後退することとなってしまった。アウディ1号車に替わって、ポルシェ20号車が首位に躍り出たが、わずか1分半ほど後方にはアウディ2号車が迫っている状態であった。アウディ2号車は、アンドレ・ロッテラーが決勝レース中のファーステストラップを更新する3分22秒567を叩きだして、ポルシェ20号車に対して1周あたり3秒から4秒を追い上げる素晴らしい走りを見せ、ついにポルシェ20号車がティモ・ベルンハルトからマーク・ウェバーにドライバー交代をしている間に、アウディ2号車が首位を奪還した。レースも残り2時間程という時間帯でポルシェ20号車が突如スローダウンし、アンチロールバーの故障が発生したということでガレージに入れられた後、そのままリタイアした。そのおよそ30分後にポルシェ14号車もギヤボックスの不具合で一旦ガレージに入れられたが、チェッカー間際にピットアウトし、チェッカーを受けている。LMP1カテゴリーでは、アウディ2号車が優勝し、2位には3周差でアウディ1号車、その後に序盤のアクシデントをリカバリーしたトヨタ8号車がトップから5周差で3位に入った。サバイバル戦と化したLMP1カテゴリーの争いの中、2台出走したLMP1-Lカーの中で唯一完走を果たしたレベリオン・レーシングの12号車が見事総合4位に入った。ツキのないオーク・レーシングのリジェ・JS・P2の35号車は、ティリエ・バイ・TDSレーシングのリジェ・JS・P2の46号車やJota-ザイテックの38号車より速いにもかかわらず、エンジンのトラブルと長過ぎるピット作業のため、LMP2クラスの首位争いを終盤まで争えなかった。マルセル・フェスラー/ブノワ・トレルイエ/アンドレ・ロッテラーという4年間で3回優勝した3人組がドライブしたアウディ2号車は、レースの最後の2時間はトラブルに遭うこともなく、そのまま後続とのリードを保ったまま、アウディとして通算13度目となる優勝を成し遂げた。ポルシェ14号車は、最終ラップにサーキットに戻って周回できる程度の修理を行なってレースに復帰し、総合11位に入った。LMP2クラスの戦いはチェッカーまで3台が同一周回で争う展開で、ティリエ・バイ・TDSレーシングのリジェ・JS・P2の46号車やシグナテック・アルピーヌの36号車を抑えて、サイモン・ドゥーラン/ハリー・ティンクネル/オリヴァー・ターヴェイの3人がドライブしたJota-ザイテックの38号車がクラス優勝を果たし、総合でも5位に入った。クラス内の上位5組はニッサン製エンジンのユーザーである。LMGTE Proクラスでは、長いピット・ストップより順位を落としたコルベット73号車が驚異の追い上げでポルシェ92号車からクラス2位を奪うという健闘を見せたが、クラス首位を走っていたAFコルセのフェラーリ51号車に追い付くことは到底敵わず、51号車がクラス優勝した。LMGTE Amクラスでは、前年のル・マン24時間レースで事故死したアラン・シモンセンがエントリーしていた95号車で、205周回に渡ってクラス首位を守ってMGTE Amクラス優勝を成し遂げた。2周差のクラス2位にプロトン・コンペティションが入っている。