L’édition 2020 était la première à se courir sur ce format avec trois étapes consécutives, après la course d’une journée qui se courrait dans le centre-ville de Madrid entre 2015 et 2017 puis sur deux jours avec l’ajout du contre-la-montre par équipes et individuel à Boadilla del Monte ces deux dernières années. Le menu diversifié de 2020 proposait une première étape en ligne vallonnée de 82,8 km entre Tolède et Escalona, un contre-la-montre individuel de 9,3 km à Boadilla del Monte et une dernière étape de 98,6 km avec un circuit à emprunter 17 fois dans les rues de Madrid.
Après sa récente victoire décrochée sur les Driedaagse Brugge-De Panne, la Néerlandaise Lorena Wiebes (Team Sunweb) a devancé l’Italienne Elisa Balsamo (Valcar-Travel & Service) et Lisa Brennauer de plus d’un vélo dans un sprint en côte à l’arrivée de la première étape venteuse et vallonnée.
La gagnante de l'an passé Brennauer était incontestablement la grande favorite du chrono individuel de Boadilla del Monte, qui proposait le même parcours technique que l’an dernier, qu’elle avait dominé avec ses deux courtes montées, ses deux demi-tours et plusieurs ronds-points à bien négocier. Mais la Championne d'Allemagne sur route a dû pousser de toutes ses forces jusqu’au dernier mètre pour battre le temps impressionnant de la Championne d'Italie Longo Borghini d’une seconde seulement.
Le classement général s’est décidé sur cette troisième et dernière étape, à Madrid, où 5, 2 et 1 secondes de bonifications étaient en jeu pour chacun des huit sprints intermédiaires, avec un bonus final de 15, 10 et 5 secondes à l’arrivée, proposant une sorte d’Omnium avec de la bagarre à chaque sprint. Ce fut une journée stressante pour la leader Brennauer, qui a dû se battre avec Wiebes dans les sprints intermédiaires puis rattraper Longo Borghini, partie en solitaire pour tenter de renverser le général. C’est au sprint massif que s’est terminée cette édition, avec le succès de Balsamo devant Wiebes.
Les trois premiers jours de La Vuelta 2020 ont été immédiatement très exigeants avec des montées difficiles qui ont tout de suite dessiné le classement général. Comme prévu, la lutte pour le maillot rouge a démarré dès la première étape avec une bagarre entre les favoris dans la montée sélective menant vers l’Alto de Arrate, au-dessus de la ville d’Eibar au Pays Basque. Roglič a défendu son titre de la meilleure des façons, en franchissant la ligne d’arrivée une seconde devant son rival le plus dangereux, Richard Carapaz (Ineos Grenadiers), et l’Irlandais Dan Martin (Israel Start-Up Nation). L’Espagnol Marc Soler (Movistar Team) s’est imposé en solitaire à Lekunberri avec 19 secondes d’avance sur un groupe de neuf hommes emmené par le Slovène, qui a pris la deuxième place le lendemain derrière Martin dans un sprint en montée vers La Laguna Negra.
Le compatriote de Dan Martin Sam Bennett (Deceuninck-Quick-Step), n’a pas gâché une des quelques occasions de sprint massif sur cette Vuelta en s’imposant à Ejea de los Caballeros devant le Belge Jasper Philipsen (UAE Team Emirates). Une bataille à trois au sommet de Sabiñánigo a décidé du vainqueur de la cinquième étape : le Belge Tim Wellens (Lotto Soudal) a battu le Français Guillaume Martin (Cofidis Solutions Crédits) et le Néerlandais Thyman Arensman (Team Sunweb). Ensuite, Carapaz a montré sa force dans la sixième étape, froide et pluvieuse, remportée par l’Espagnol Ion Izagirre (Astana Pro Team). L’Espagnol est parti dans la bonne échappée, avant d’attaquer dans l’ascension finale de Formigal alors que Carapaz reprenait la tête du classement général devant Roglič.
Le Canadien Michael Woods (EF Pro Cycling) s’est adjugé la 7e étape en solo à Villanueva de Valdegovia, prenant l’échappée matinale et battant le duo espagnol composé de Fraile (Astana Pro Team) et de Valverde (Movistar Team). Roglič a ensuite signé deux succès en trois jours et récupéré le maillot rouge de leader, à égalité avec Carapaz. D’abord au sommet de l’Alto de Moncalvillo après une brillante attaque placée dans les derniers kilomètres, passant alors à la deuxième place du classement général, puis après le deuxième sprint massif remporté par Pascal Ackermann (Bora-Hansgrohe) à Aguilar de Campoo, et enfin en signant un nouveau succès, au sprint au sein d'un petit groupe, à Suances, lors de la 10e étape.
Le Français David Gaudu (Groupama-FDJ) a glané le premier bouquet de sa carrière sur un Grand Tour en haut de l’Alto de la Farrapona tandis que les favoris du classement général ont économisé leurs forces en vue de l’étape reine du lendemain. Le Britannique Hugh Carthy (EF Pro Cycling) a dompté le redoutable Angliru devant le Russe Aleksander Vlasov (Astana Pro Team) et l’Espagnol Enric Mas (Movistar Team), alors que Carapaz profitait de ses talents de grimpeur pour grappiller 10 secondes sur Roglič et reprendre la tête du classement général.
Mais l’Equatorien a perdu son maillot rouge sur le contre-la-montre individuel disputé entre Muros et le Mirador de Ézaro, remporté par Primož Roglič une seconde seulement devant l’Américain William Barta (CCC Team) ; le Slovène a creusé un écart de 39 secondes, à gérer jusqu’à Madrid. Tim Wellens a remporté sa deuxième victoire à l’occasion de la 14e étape, à Ourense, tandis que Jasper Philipsen a levé les bras pour la première fois sur un Grand Tour après un sprint en bosse à Puebla de Sanabria. Roglič a par ailleurs récolté six précieuses secondes de bonification grâce à sa deuxième place derrière le Danois Magnus Cort Nielsen (EF Pro Cycling) dans un sprint en petit comité disputé à Ciudad Rodrigo.
La 17e étape menant à l’Alto de la Covatilla allait donc être décisive pour le classement général final, offrant une ultime chance à Richard Carapaz de récupérer définitivement le maillot rouge. L’Equatorien a réussi à distancer Roglič dans la partie la plus raide de la montée, mais le Slovène a réussi à limiter sa perte, faisant preuve d’une belle force mentale après sa mortifiante défaite sur le Tour de France dans l’avant-dernière étape au profit de son compatriote Tadej Pogačar (UAE Team Emirates). Il n’a concédé que 21 secondes à Carapaz et a donc conservé un avantage de 24 secondes avant la dernière étape à Madrid, scellant sa deuxième Vuelta consécutive. La dernière étape est revenue à l’Allemand Pascal Ackermann (Bora-Hansgrohe) au lancer de vélo devant Sam Bennett.