A második szabadedzés elején a két Ferrari gurult ki először a valenciai pályára az élmenők közül, így nem volt meglepetés, hogy tíz perc után Alonso állt az élen, de Vettel a Red Bullal hamar átvette a vezetést, mögé pedig az első szabadedzés nyertese, Webber zárkózott fel.
Alonso hiába próbálkozott, nem tudta visszavenni a vezetést, majd 50 perc után Rosberg állt az élre, miután felrakta a lágy gumit. Ugyanezt megtette azonban Webber, majd Vettel is, így rögtön visszavette a vezetést a két Red Bull.
Nem sokáig tartott ki azonban az előny, előbb Hamilton, majd Alonso futotta meg a leggyorsabb kört. Az utolsó percekben elmaradt a tűzijáték, a Ferrari spanyol pilótája megtartotta vezető helyét, mögötte pedig bő két tizeddel lemaradva a McLaren Mercedes versenyzője, Lewis Hamilton végzett.
A harmadik leggyorsabb Vettel lett, megelőzve Schumachert, Massát, Buttont és Webbert is.
1. Fernando Alonso Ferrari 1m37.968s 35 kör
2. Lewis Hamilton McLaren-Mercedes 1m38.195s + 0.227 26
3. Sebastian Vettel Red Bull-Renault 1m38.265s + 0.297 31
4. Michael Schumacher Mercedes 1m38.315s + 0.347 30
5. Felipe Massa Ferrari 1m38.443s + 0.475 32
6. Jenson Button McLaren-Mercedes 1m38.483s + 0.515 30
7. Mark Webber Red Bull-Renault 1m38.531s + 0.563 26
8. Nico Rosberg Mercedes 1m38.981s + 1.013 33
9. Nick Heidfeld Renault 1m39.040s + 1.072 35
10. Vitaly Petrov Renault 1m39.586s + 1.618 27
11. Adrian Sutil Force India-Mercedes 1m39.626s + 1.658 31
12. Rubens Barrichello Williams-Cosworth 1m40.020s + 2.052 34
13. Pastor Maldonado Williams-Cosworth 1m40.301s + 2.333 34
14. Paul di Resta Force India-Mercedes 1m40.363s + 2.395 7
15. Sebastien Buemi Toro Rosso-Ferrari 1m40.454s + 2.486 32
16. Sergio Perez Sauber-Ferrari 1m40.531s + 2.563 37
17. Kamui Kobayashi Sauber-Ferrari 1m42.083s + 4.115 34
18. Heikki Kovalainen Lotus-Renault 1m42.156s + 4.188 39
19. Jarno Trulli Lotus-Renault 1m42.239s + 4.271 25
20. Timo Glock Virgin-Cosworth 1m42.273s + 4.305 21
21. Jerome D’Ambrosio Virgin-Cosworth 1m42.809s + 4.841 36
22. Tonio Liuzzi HRT-Cosworth 1m44.460s + 6.492 29
23. Narain Karthikeyan HRT-Cosworth 1m46.906s + 8.938 16
