Na afloop van de derde vrije training werd voor de Moto3-rijders voor het eerst de balans opgemaakt wat betreft de plaatsen in Q2. Collin Veijer plaatste zich met de elfde tijd bij de beste veertien op de gecombineerde ranglijst, waardoor hij zich niet via Q1 hoefde te plaatsen voor de strijd om pole-position. Ook andere grote namen drongen rechtstreeks door tot Q2, met uitzondering van David Alonso. De nummer drie van de WK-stand moest daardoor via Q1 proberen om door te dringen naar het tweede segment.
Twaalf rijders meldden zich om 12.50 uur op het asfalt voor het eerste deel van de kwalificatie in Valencia. In Q1 vielen eigenlijk weinig verrassingen te noteren wat betreft de rijders die zichzelf toegang tot Q2 verschaften. Alonso was een van de vier rijders die doordrong tot het tweede segment, maar met 1.39.041 was de GasGas-rijder niet de snelste van het veld. Die eer was voor KTM Ajo-rijder José Antonio Rueda, die een 1.38.929 op de klokken zette. Achter Alonso noteerde Taiyo Furusato de derde tijd, terwijl Riccardo Rossi de vierde tijd reed en eveneens doorging naar Q2. Voor rijders als Matteo Bertelle, Romano Fenati en Kaito Toba kwam de kwalificatie vroegtijdig ten einde.
De vier snelste rijders voegden zich bij de veertien rijders die zich eerder al voor Q2 plaatsten, waardoor een gezelschap van achttien rijders vanaf 13.15 uur ging bepalen wie er vanaf pole-position mag beginnen. Intact GP-rijder Ayumu Sasaki begon sterk aan de sessie en voerde de ranglijst aanvankelijk aan, waarna de Japanner in de slipstream van teamgenoot Veijer naar buiten ging voor een nieuwe run. De Nederlander liet daarbij een uitstekend tempo zien door eerst naar de tweede positie op de ranglijst te komen, waarna hij met 1.38.311 zelfs naar de eerste positie kwam. Met die tijd reed hij een klein stukje weg bij Sasaki, die op 0.048 seconde strandde op de tweede positie.
In de laatste vijf minuten deden diverse rijders nog een aanval op de tijd van Veijer, maar die werd niet meer verbeterd. De 18-jarige rijder uit Staphorst verzekerde zich in Valencia van zijn tweede pole-position van zijn debuutseizoen in de Moto3, voor Sasaki en de niet geheel fitte Deniz Öncü. Joel Kelso klokte verrassend de vierde tijd, voor Alonso en Ivan Ortola. Rueda reed de zevende tijd, terwijl kampioen Jaume Masia, David Muñoz en Ryusei Yamanaka de top-tien completeerden. Laatstgenoemde maakte zich in de slotfase niet populair door te crashen en Filippo Farioli in zijn val mee te nemen. Ook Daniel Holgado ging onderuit, waardoor hij geen tijd reed en genoegen moest nemen met P18.
1'38.311
+0.048
1'38.359
+0.052
1'38.363
+0.319
1'38.630
+0.392
1'38.703
+0.442
1'38.753
+0.473
1'38.784
+0.527
1'38.838
+0.668
1'38.979
+0.703
1'39.014
+0.784
1'39.095
+0.832
1'39.143
+0.837
1'39.148
+0.841
1'39.152
+0.848
1'39.159
+0.898
1'39.209
+1.091
1'39.402
Source: Motorsport