Akan tetapi, pada sesi latihan bebas kedua (FP2) beberapa jam setelahnya, Rossi justru melempem. Posisinya melorot tajam dan harus puas berada di peringkat keenam. Dia menempuh waktu 1 menit 33,387 detik.
FP2 menjadi milik pembalap Monster Yamaha Tech 3, Pol Espargaro. Dia yang hanya menempati posisi kedua di FP1, mampu bangkit di FP 1. Dia berada di posisi pertama dengan mencatat waktu 1 menit 32,769 detik. Catatan waktu tersebut lebih baik dari yang ditempuh Rossi pada FP1.
Peringkat kedua diduduki pembalap Repsol Honda, Dani Pedrosa, yang menempuh waktu 1 menit 32,834 detik. Sedangkan peringkat ketiga ditempati pembalap Ducati, Andrea Dovizioso dengan catatan waktu 1 menit 32, 901 detik.
Berikut Hasil FP2 Grand Prix San Marino
1. Pol Espargaro – Monster Yamaha Tech 3 (YZR-M1) – 1m 32.769s [Lap 16/19] 289km/h (Top Speed)
2. Dani Pedrosa – Repsol Honda Team (RC213V) – 1m 32.834s +0.065s [21/22] 290km/h
3. Andrea Dovizioso – Ducati Team (Desmosedici GP) – 1m 32.901s +0.132s [18/20] 294km/h
4. Jorge Lorenzo – Movistar Yamaha MotoGP (YZR-M1) – 1m 33.056s +0.287s [17/18] 290km/h
5. Marc Marquez – Repsol Honda Team (RC213V) – 1m 33.196s +0.427s [18/20] 287km/h
6. Valentino Rossi – Movistar Yamaha MotoGP (YZR-M1) – 1m 33.387s +0.618s [17/20] 287km/h
7. Cal Crutchlow – LCR Honda (RC213V) – 1m 33.500s +0.731s [16/19] 287km/h
8. Scott Redding – Octo Pramac Yakhnich (Desmosedici GP15) – 1m 33.552s +0.783s [17/19] 288km/h
9. Hector Barbera – Avintia Racing (Desmosedici GP14.2) – 1m 33.581s +0.812s [17/18] 288km/h
10. Maverick Viñales – Team Suzuki Ecstar (GSX-RR) – 1m 33.629s +0.860s [20/20] 289km/h
11. Aleix Espargaro – Team Suzuki Ecstar (GSX-RR) – 1m 33.643s +0.874s [11/20] 285km/h
12. Danilo Petrucci – Octo Pramac Yakhnich (Desmosedici GP15) – 1m 33.803s +1.034s [17/19] 289km/h
13. Alvaro Bautista – Factory Aprilia Gresini (RS-GP) – 1m 33.846s +1.077s [21/22] 287km/h
14. Michele Pirro – Ducati Team (Desmosedici GP) – 1m 33.885s +1.116s [20/20] 290km/h
15. Alex Lowes – Monster Yamaha Tech 3 (YZR-M1) – 1m 34.154s +1.385s [18/21] 288km/h
16. Eugene Laverty – Aspar MotoGP Team (Desmosedici GP14.2) – 1m 34.457s +1.688s [10/17] 289km/h
17. Stefan Bradl – Factory Aprilia Gresini (RS-GP) – 1m 34.631s +1.862s [4/18] 285km/h
18. Yonny Hernandez – Aspar MotoGP Team (Desmosedici GP14.2) – 1m 34.719s +1.950s [19/19] 288km/h
