Valverde se impuso en el difícil ascenso final en la ruta de 182 kilómetros desde Valls hasta Tortosa. El español aventajó por 13 segundos a Froome y Contador.
En la clasificación general, Valverde sacó 21 segundos de ventaja sobre Froome y 47 sobre Contador.
"Fue un día espectacular para nosotros y pude aprovecharlo", dijo el ciclista del equipo Movistar. "Nos quedan dos días difíciles para defender esta delantera".
El estadounidense Tejay van Garderen, que era el líder antes de la etapa del viernes, cayó al sexto puesto en la general. El colombiano Jarlinson Pantano marcha 12do.
La sexta etapa del sábado es un recorrido de 189 kilómetros desde Tortosa hasta Reus, y la carrera termina el domingo en Barcelona.