Vainqueur la veille à La Rosière, le Gallois a disposé dans la dernière ligne droite du Néerlandais Tom Dumoulin et du Français Romain Bardet, les adversaires les plus consistants de l'équipe Sky en cette chaude journée.
Le quadruple vainqueur du Tour, le Britannique Chris Froome, a pris la quatrième place, à quelques secondes.
Au classement général, Froome compte désormais 1 min 39 sec de retard sur son coéquipier, à la sortie des Alpes.
Mais Thomas a répété une nouvelle fois que la hiérarchie demeurait inchangée au sein de la Sky.
"Je l'ai dit hier (mercredi), 'Froomey' reste le leader", a déclaré Thomas, qui s'est comporté d'ailleurs en lieutenant dans la montée de l'Alpe d'Huez après un gros travail du néophyte mais très prometteur Egan Bernal (21 ans), pépite du cyclisme colombien.
Le raid de Kruijswijk
A l'inverse, le porte-drapeau du cyclisme andin, Nairo Quintana, a été distancé dans les sept derniers kilomètres et a lâché une cinquantaine de secondes. Quant à l'autre leader colombien, Rigoberto Uran (2e du Tour 2017), il n'est pas reparti de Bourg-Saint-Maurice.
Thomas, 32 ans, est le premier Britannique vainqueur à l'Alpe d'Huez. Il est aussi le premier maillot jaune à s'imposer depuis Lance Armstrong en 2004, avant que l'Américain soit déchu de ses titres pour dopage.
Les démarrages successifs entre les prétendants au podium dans le final ont condamné la longue échappée du Néerlandais Steven Kruijswijk, parti de loin dès la Croix-de-Fer, la deuxième des trois grandes ascensions du jour.
Kruijswijk (4e du Giro 2016) s'est intégré dans une échappée-fleuve formée sur les premières pente de la Madeleine, le premier grand col. Il a distancé ses derniers compagnons à mi-pente de la Croix-de-Fer, à 68 kilomètres de l'arrivée.
Au sommet, le Néerlandais a basculé avec plus de 6 minutes d'avance sur le groupe des favoris mené le plus souvent par l'équipe de Froome et de Thomas, relayés partiellement par les hommes de Bardet et de Quintana.
Huées et incident pour Froome
Au seuil des quatre derniers kilomètres, avant les premières barrières, l'Italien Vincenzo Nibali a été jeté à terre dans la confusion, apparemment provoquée par des motos et le public.
Le Sicilien a pu toutefois remonter sur le vélo et a franchi la ligne avec une poignée de secondes de retard sur le groupe de tête.
"La route s'est rétrécie devant moi", a tenté d'expliquer Nibali, qui s'est plaint de douleurs au dos.
Dans la montée, Froome a essuyé une nouvelle fois des sifflets, comme souvent depuis le départ de Vendée. Selon les images TV, un spectateur a même essayé de s'en prendre à lui, en le touchant au niveau de l'épaule.
Des huées ont également accueilli Thomas lors de la cérémonie protocolaire sur le podium.
Cette troisième étape alpestre, longue de 175,5 kilomètres, a provoqué une hécatombe dans les rangs des sprinteurs. Le Néerlandais Dylan Groenewegen et le Colombien Fernando Gavraria, tous deux vainqueurs de deux étapes depuis le départ, ont abandonné, tout comme l'Allemand André Greipel.
D'autres abandons ont également été enregistrés, notamment celui du Français Tony Gallopin qui laisse l'équipe de Bardet réduite à cinq coureurs.
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