Den 24-årige italienaren Filippo Ganna hade tillsammans med tre andra cyklister skapat sig en lucka till övriga cyklister i den femte etappen som startade i Mileto. Men vid stigningen uppför Monte Scuro ökade han farten och drog ifrån de andra tre.
Efter 225 kilometer kunde Ganna korsade mållinjen 34 sekunder före tvåan Patrick Konrad, Österrike.
Efter segern kramades Ganna, som kör för stjärnstallet Ineos-Grenadiers, om av stallet som fick något att glädjas över efter gårdagens motgång.
I går tvingades nämligen favoriten och och Ineos-Grenadiers-kaptenen Geraint Thomas bryta Giro d'Italia efter en svår krasch i förrgår där han fick en fraktur i höften.
Portugisen Joao Almeida slutade trea i dagens femte etapp och behåller därmed den rosa ledartröjan.
Ganna, som inför Girot vann VM-tempot på Imolabanan, vann också den första etappen i Giro d'Italia och har därmed tagit två etappsegrar hittills i tävlingen. Dagens etapp var den första som tempospecialisten Ganna vann i linjelopp.
MER CYKEL: Här jublar världsmästaren – men missar spurten (4 okt 2020)