En segundo lugar se clasificó el australiano Casey Stoner (Ducati), en tercero el italiano Loris Capirossi (Suzuki) y en cuarto Valentino Rossi.
Otro español, Dani Pedrosa (Honda), no pudo pasar de la octava plaza debido a problemas físicos en una pierna.
Las dos Yamaha oficiales, de Lorenzo y Rossi, se alternaron con la del estadounidense Colin Edwards en los primeros minutos de la tanda de clasificación, mientras que Pedrosa estaba en las últimas posiciones.
Con Rossi en la "pole" provisional, Lorenzo estaba a punto de desbancarle a 20 minutos para el final al hacer los tres primeros parciales en tiempo de la vuelta rápida, pero fallaba en el cuarto y se quedaba en segunda posición.
Sin embargo, el ocho veces campeón del mundo, su compañero de equipo, sí era capaz de hacerlo y rebajaba su propia mejor vuelta absoluta poco antes de que Stoner le quitara la primera plaza.
Capirossi ya había batido sus parciales y se situaba en la cuarta plaza tras Stoner, Rossi y Lorenzo, y por delante de Edwards, el francés Randy de Puniet (Honda), el italiano Andrea Dovizioso (Honda), el español Toni Elías (Honda) y el sanmarinense Alex de Angelis (Honda). Pedrosa, a falta de quince minutos para el final de la sesión, era decimocuarto.
A siete minutos para que la bandera de cuadros bajara, Rossi se la devolvía a Stoner, con Lorenzo en la tercera plaza. Entonces fue cuando Capirossi dio la sorpresa y a un minuto y medio para el final, el veterano italiano, diecinueve años en el Mundial, se situó al frente de la clasificación.
Pero la alegría en el garaje del equipo Suzuki iba a durar menos de un minuto porque pronto se pudo observar cómo Rossi, Stoner y Lorenzo rodaban al mismo tiempo por debajo de Capirossi.
El piloto de Palma de Mallorca, que viene de ganar el Gran Premio de Francia hace dos semanas y lidera el Mundial de MotoGP, era el más rápido, entonces superaba sus problemas en la última parte de la pista de Mugello y se imponía al oceánico y al transalpino. Lorenzo repetía su victoria de ayer en los libres.
Rossi perdía tiempo en el último parcial y también se veía fuera de la tercera plaza, que era para su compatriota.
A falta de dos minutos, Toni Elías se cayó y no pudo superar la novena plaza con un tiempo de 1:50.078.
Lorenzo paró el crono en 1:48.987 para llevarse su segunda victoria en unos entrenamientos oficiales en 2009, tras la "pole" lograda en el Gran Premio de España hace un mes en el circuito de Jerez de la Frontera (Cádiz).
Stoner, que esta mañana se fue al suelo en los entrenamientos libres, logró su mejor giro en el último que dio en 1:49.008 por 1:49.121 de Capirossi y 1:49.148 de Rossi.
Tras ellos, De Puniet se hizo con la quinta plaza en la salida con un crono de 1:49.499 y fue el mejor piloto de la sesión con una Honda, que, además, no es del equipo oficial.
Dovizioso batió a Pedrosa con 1:49.648 por 1:50.073 del piloto español, a Elías y al japonés Yuki Takahasi (Honda), décimo con 1:50.305.