Des favoris du Tour, seul le Néerlandais Tom Dumoulin, le vainqueur du Giro 2017, a résisté au rouleau compresseur de la formation britannique.
A l'arrivée des 108,5 kilomètres, Thomas a précédé de 20 secondes Dumoulin et Froome. Les autres prétendants n'ont pu résister, dans les 5 derniers kilomètres, aux accélérations violentes de Thomas puis de Froome.
Le Français Romain Bardet, le Colombien Nairo Quintana, l'Italien Vincenzo Nibali et le Slovène Primoz Roglic ont cédé près d'une minute à Thomas dans le final.
Au classement général provisoire, Thomas précède désormais Froome de 1 min 25 sec. Dumoulin pointe à la troisième place à 1 min 44 sec, Nibali (4e) à 2 min 14 sec, avant l'arrivée à l'Alpe d'Huez.
Le mea culpa de Bardet
Bardet, désormais 8e à près de trois minutes, a regretté avoir commis une erreur en ne réagissant pas à l'attaque de l'Irlandais Dan Martin, suivi aussitôt par Froome, à l'approche des 3 derniers kilomètres.
"Je n'étais pas assez attentif. Après, il y a un peu trop de marquage. Ce sont des secondes qui partent", a commenté Bardet, sur le podium des deux derniers Tours.
Thomas (32 ans) avait porté le maillot jaune pendant quatre jours en début de Tour l'an passé. Lieutenant ambitieux de Froome, il a gagné le mois dernier le Critérium du Dauphiné, la répétition alpestre du Tour.
"C'est irréel !", s'est exclamé Thomas, double champion olympique sur piste à Pékin-2008 et à Londres-2012 avec l'équipe britannique de poursuite. "Je ne m'attendais pas à gagner. Je me suis senti très bien aujourd'hui et j'ai pu attaquer. J'étais en position idéale."
Le deuxième des trois volets alpestres, qui comportait quatre ascensions, a été marqué par l'offensive de l'équipe Movistar de Quintana.
L'Espagnol Alejandro Valverde, combatif du jour, a attaqué dès le col du Pré, à 56 kilomètres de l'arrivée. L'ex-vainqueur de la Vuelta s'est appuyé sur son compatriote Marc Soler, décroché de l'échappée pour l'attendre, et s'est assuré 2 minutes d'avance.
La hiérarchie de Sky
L'équipe Sky a reçu de l'aide des hommes de Nibali. Dans la descente du Cormet de Roselend, Dumoulin, accompagné d'un équipier (Kragh Andersen), est revenu sur Valverde. Mais leur avantage s'est limité à 45 secondes au pied de la montée finale sur le groupe des favoris conduit encore par cinq coureurs de Sky.
A l'avant, l'Espagnol Mikel Nieve, le dernier rescapé de l'échappée le plus souvent animée par les coéquipiers de Warren Barguil, a entrevu la victoire. Mais le grimpeur basque été dépassé par Thomas à 300 mètres de l'arrivée seulement.
Pour tenter de couper court aux discussions à venir sur la hiérarchie chez Sky, le directeur sportif Nicolas Portal a réagi après l'arrivée: "Ils ont très bien joué le coup. Ils ont travaillé ensemble, ils ont parlé ensemble, le tandem a très bien marché."
"C'est super !", a-t-il estimé. "Geraint a gagné et a le bonus du maillot jaune. Chris a pris aussi des bonifications (3e de l'étape)".
Habituée à frapper fort dans la première arrivée au sommet, Sky a respecté sa stratégie habituelle. A la différence que son leader désigné, quadruple vainqueur du Tour, est cette fois deuxième au classement, à près d'une minute et demie.
"Thomas était le plus fort et le plus tranchant aujourd'hui", a estimé Vincent Lavenu, le manager de l'équipe AG2R La Mondiale de Bardet. "Mais je ne pense pas qu'ils se tapent dessus !"
L'étape a définitivement condamné le Colombien Rigoberto Uran (2e du Tour 2017), lâché dès le col du Pré. Et souligné les limites du jour du Britannique Adam Yates, à la peine dans la montée finale, sur les pentes du Petit Saint-Bernard.
Jeudi, l'étape-reine des Alpes mène de Bourg-Saint-Maurice à l'Alpe d'Huez (175,5 km) par les cols de la Madeleine et de la Croix-de-Fer. D'autres changements sont en vue.
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