Après la démonstration de Jenson Button (McLaren) le matin, la séance de l'après-midi a été bien plus disputée sur le circuit de Monza et les cadors se sont succédé aux avant-postes. C'est tout d'abord Robert Kubica (Renault) qui a établi le meilleur chrono, en 1'24"269. Fernando Alonso (Ferrari) lui est passé devant durant quelques secondes avant que Jenson Button (McLaren) ne mette tout le monde d'accord, en signant un temps plus rapide que son meilleur tour des libres 1 (1'23"296).
Mais le chrono du Britannique a assez rapidement été battu par un... Britannique, Lewis Hamilton, auteur d'1'23"154. A ce moment de la séance, les deux McLaren étaient largement devant, puisque le troisième, Alonso, pointait à sept dixièmes. Alternant utilisation du f-duct ou pas, petit ou gros aileron arrière, les pilotes ont ainsi modifié leurs réglages pour déterminer le meilleur pour la course.
Dans la dernière demi-heure, la hiérarchie a néanmoins été chamboulée. Tour d'abord grâce à Felipe Massa, qui a signé 1'23"061, avant de se faire une sacrée frayeur à la Parabolique et de rentrer sagement aux stands. La deuxième Ferrari, celle d'Alonso, a ensuite pris les commandes avec le premier chrono sous 1'23 : 1'22"915. Mais c'était sans compter sur la vista de Vettel, qui a créé la surprise en plaçant sa Red Bull, a priori moins à l'aise sur les lignes droites de Monza, au sommet de la feuille des temps : 1'22"839. Son coéquipier, Mark Webber, a lui travaillé pour la course en signant des longs relais avec les mêmes pneus que le matin. Il a également été victime d'une fuite d'eau à vingt minutes de la fin et signe le sixième temps (1'23"415).
Au final, derrière Vettel, on trouve les deux Ferrari d'Alonso et Massa, les deux McLaren de Hamilton et Button, la Red Bull de Webber, donc, la Williams de Rubens Barrichello, la Renault de Robert Kubica, la Williams de Nico Hülkenberg et la Mercedes de Nico Rosberg. Les deux Force India d'Adrian Sutil et Vitantonio Liuzi suivent à la 11e et 12e place. Michael Schumacher (Mercedes) a lui signé le 14e temps. Le plus malheureux de la séance a été Bruno Senna, qui est sorti trois fois des stands mais s'est arrêté les trois fois après seulement quelques mètres.