Båda kastade fram cyklarna den sista metern och sedan dröjde det någon minut innan fransmannen Demare fick segerbeskedet via radiokommunikationen och kunde segerkramas med stallkamraterna i Groupama FDJ.
Tobias Ludvigsson, den enda svensken i loppet, drog för laget fram till tre kilometer kvar då andra fick ta över för att bädda för Demare.
– Det var tajt men jag fick en känsla av att jag var före men var tvungen att vänta in målfotot, säger Demare i Eurosports sändning. Det visade att han vann med någon centimeter.
En ensam åkare i fyra timmar
Det blev inga ändringar i totalställningen i loppet som blev försenat mot prognosen. Diego Rosa stack efter två mil och åkte sedan ensam i nästan fyra timmar innan han blev infångad med 28 km kvar.
– Jag vet inte varför klungan åkte så långsamt men jag njöt av varje sekund, säger totalledaren Juan Pedro Lopez.
Dagens sjätte etapp var den första på det italienska fastlandet. Man åkte norrut 192 flacka km mellan Palmi och Scalea med det Tyrrenska havet som blickfång under etappen.
I morgon väntar en tuff etapp där det lär utmanas ordentligt om den rosa ledartröjan.