Het tweetal was op twintig kilometer van de streep weggesprongen uit een groep met favorieten. Sagan zette in de laatste klim naar de finish de aanval in, maar de Pool counterde goed en reed naar de zege op de Piazza del Campo in Siena.

Alejandro Valverde kwam op 35 seconden van de winnaar als derde over de streep. Wout Poels was op de negende plaats de beste Nederlander.

Kwiatkowski is met zijn overwinning de opvolger van de Italiaan Moreno Moser, die vorig jaar als eerste finishte. Het jaar daarvoor won de Zwitser Fabian Cancellara.

In de achtste editie van de klassieker, die de renners veelal over onverharde colletjes voert door Toscane, toonden de favorieten zich op zo'n veertig kilometer van de aankomst, toen vier vroege vluchters waren ingelopen. Zo'n twintig renners verzamelden zich vooraan, onder wie Poels en Tom Dumoulin.

Sagan, die vorig jaar tweede werd achter zijn ploeggenoot Moser, koos met nog ruim twintig kilometer te gaan de aanval en kreeg alleen Kwiatkowski met zich mee. Op de voorlaatste strook wit grind, in totaal ging een kwart van de race over het gruis, had het koppel een voorsprong van driekwart minuut.

Die voorsprong kwam niet meer in gevaar. Op de steile slotklim zette Sagan als eerste aan, maar de Poolse kampioen Kwiatkowski pareerde op overtuigende wijze en reed solo naar de finish.

Daarachter troefde Valverde in de sprint om de derde plaats Damiano Cunego en Roman Kreuziger af. Cancellara, finishte als zesde.