Le Néerlandais Tom Dumoulin, dont l'équipe Sunweb a été mise à contribution, a gardé le maillot rose de leader après cette étape (161 km) de moyenne montagne dans la chaîne des Appennins.
Fraile a disposé au sprint de ses compagnons d'échappée. Le Portugais Rui Costa a pris la deuxième place devant le Français Pierre Rolland, troisième.
Un groupe de 25 coureurs parmi lesquels plusieurs coureurs susceptibles de se replacer au classement (Amador, Kangert, Cataldo) s'est retrouvé à l'avant dès la première des quatre montées du jour.
Fraile et son compatriote Mikel Landa, longtemps seuls en tête, ont été repris par ce groupe à quelque 40 kilomètres de l'arrivée. Fraile est reparti derrière Rolland en haut du dernier col avant que Costa réalise la jonction aux 9 derniers kilomètres.
Dans la dernière montée, le Français Thibaut Pinot a tenté brièvement de sortir. Le groupe des favoris a franchi la ligne avec un retard de plus d'une minute et demie.
Fraile, 26 ans, a enlevé la troisième victoire internationale de sa carrière après le Tour des Appennins et une étape des Quatre Jours de Dunkerque en 2015.
"C'est le plus beau jour de ma vie. Le Giro me fait rêver depuis mon enfance", a déclaré l'Espagnol, remarqué au récent Tour du Yorkshire (2e du classement final).
Le haut du classement général es resté inchangé mais le Costa-Ricain Andrey Amador est remonté de la 9e à la 6e place.
Jeudi, les sprinteurs retrouvent un terrain favorable entre Forli et Reggio Emilia dans la 12e étape, la plus longue de l'épreuve (229 km).
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