Nibali, qui était favori au départ des 247 kilomètres, a devancé d'une trentaine de secondes le Français Julian Alaphilippe, encore deuxième d'une classique.
L'Italien Gianni Moscon a réglé un petit groupe pour la troisième place.
En franchissant la ligne, Nibali (32 ans) a dessiné avec ses doigts le nombre de 50, son total de victoires.
Pour gagner, le "Requin de Messine" a fait l'effort derrière le Français Thibaut Pinot dans le Civiglio, l'avant-dernière difficulté du parcours, qu'un quatuor d'échappés (Gilbert, De Marchi, Bilbao, Chérel) avait abordé avec une courte avance.
Pinot a attaqué à trois reprises dans cette montée mais a vu revenir près du sommet Nibali, qui a pris ses distances dans la descente. L'Italien a creusé ensuite l'écart dans l'ultime montée (San Fermo della Battaglia) pour basculer au sommet, à 5400 mètres de l'arrivée, avec une quarantaine de secondes d'avance.
Nibali a déjà gagné le Tour, le Giro et la Vuelta dans sa carrière. Cette année, il est monté sur le podium du Giro (3e) et de la Vuelta (2e).
A une quarantaine de kilomètres de l'arrivée, le Belge Laurens De Plus a fait une cabriole spectaculaire au-delà du parapet mais sans conséquence dramatique.
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