Jonas Vingegaard segermarginal var 1.38 minuter efter 22,4 kilometers körning.
– Jag kände att jag var riktigt bra idag. Jag tror att det är den bästa tempoetappen som jag nånsin kört, säger dansken.
– Jag är verkligen stolt över vad jag gjorde idag.
Tvåa i tempot var totaltvåan Tadej Pogacar, som inför etappen var favorit till segern.
– Jag kunde inte ha gjort mer. Det här är inte över, men han tog mycket tid, säger Pogacar enligt AFP.
Pogacar var i sin tur 1.13 före trean Wout van Aert, Belgien.
Vingegaards ledning var bara tio sekunder inför tempoetappen, nu är den 1.48 minuter inför de fem sista etapperna. Dansken har stor chans att ta hem Tour de France för andra året i följd, men det återstår två bergsetapper. Onsdagens etapp bjuder på fyra höga berg att ta sig upp på och 166 kilometers cykling.