De eerste dag van de derde ronde van de 2021 MotoGP waren in Portimao alle ogen gericht op Marc Marquez, die negen maanden na zijn crash op het circuit van Jerez een sensationele comeback maakte in de MotoGP - P3 en FP1 en P6 in FP2, op slechts 6 honderdste van Joan Mir op de derde plaats en nog binnen een halve seconde van Pecco Bagnaia, die als enige een 1'39'er op de klok had gezet.
Was de eerste vrije training de baan nog nat geweest vanwege regen overnacht, bij aanvang van de tweede vrije training was het circuit volledig opgedroogd, maar met een dreigende lucht en nog regen in de namiddag voorspeld was het vanaf het groene licht meteen druk op de baan.
Voor Takaaki Nakagami leek de training al snel voorbij, hij ging bij het aanremmen van bocht 1 op het punt waar het circuit naar beneden loopt keihard onderuit en leek zich daarbij aan zijn pols te hebben geblesseerd, maar in het medisch centrum bleek hij er wonderwel zonder letsel vanaf te zijn gekomen.
Terwijl Nakagami in het medisch centrum werd onderzocht zette Joan Mir de pace met een 1'41.809, een halve minuut later gevolgd door Fabio Quartararo met een 1'41.399. In zijn tweede run reed Quartararo 9 honderdste van zijn eigen tijd af, waarna Pecco Bagnaia als eerste onder de 1'41 leek te duiken, maar op een 1'41.052 bleef steken.
Marc Marquez, die buiten een recente privé test met de RC213V-S nog nooit op Portimao had gereden, bouwde zijn training rustig op, maar lag met nog twintig minuten te gaan al weer op de derde plaats, op 5 honderdste van Miguel Oliveira die in zijn tweede run nipt onder de tijd van Quartararo was doorgegaan.
Een ronde later leek de 8-voudig wereldkampioen op weg naar een verbetering van de snelste tijd, maar verspeelde het in de vierde sector en viel daarna terug naar de zesde plaats, op 0,371 seconde van Fabio Quartararo die inmiddels als eerste een 1'40 op de klok had gezet.
De voorlopige rechtstreekse plaatseringen voor Q2 zouden echter in de laatste 10 minuten worden verdeeld. Aleix Espargaro opende met een 1'40.907, 2020 winnaar Miguel Oliveira volgde vijf minuten later met een 1'40.703, waarna de regerend wereldkampioen daar met een 1'40.285 ruim onderdoor ging.
De snelste tijd ging echter naar Pecco Bagnaia, die als enige een 1'39 realiseerde. In zijn voorlaatste ronde, inmiddels al weer opgeklommen naar de tweede plaats, reed Fabio Quartararo weliswaar een 1'39.904, maar die tijd werd geschrapt vanwege het overschrijden van de limieten van het circuit.
Marc Marquez, inmiddels teruggevallen naar de 14e plaats, leek in zijn laatste sessie met verse Michelins maar niet in te slagen een perfecte ronde neer te zetten en daarmee genoegen te moeten nemen met een plaats buiten de top 10, tot hij met nog 25 seconden op de klok in typisch-Marquez stijl met meer dan een bijna crash er in zijn laatste ronde een zesde tijd uit wist te persen, op minder dan een halve seconde van snelste man Bagnaia.
MotoGP Portimao, tijden FP2:
| Rijder | Team | Merk | km/u | Tijd | Verschil | ||
| 1 | Francesco BAGNAIA | ITA | Ducati Lenovo Team | Ducati | 341.7 | 1'39.866 | |
| 2 | Fabio QUARTARARO | FRA | Monster Energy Yamaha MotoGP | Yamaha | 329.2 | 1'40.206 | 0.340 / 0.340 |
| 3 | Joan MIR | SPA | Team SUZUKI ECSTAR | Suzuki | 330.2 | 1'40.285 | 0.419 / 0.079 |
| 4 | Alex RINS | SPA | Team SUZUKI ECSTAR | Suzuki | 336.4 | 1'40.328 | 0.462 / 0.043 |
| 5 | Jack MILLER | AUS | Ducati Lenovo Team | Ducati | 339.6 | 1'40.336 | 0.470 / 0.008 |
| 6 | Marc MARQUEZ | SPA | Repsol Honda Team | Honda | 333.3 | 1'40.339 | 0.473 / 0.003 |
| 7 | Maverick VIÑALES | SPA | Monster Energy Yamaha MotoGP | Yamaha | 329.2 | 1'40.426 | 0.560 / 0.087 |
| 8 | Johann ZARCO | FRA | Pramac Racing | Ducati | 339.6 | 1'40.490 | 0.624 / 0.064 |
| 9 | Miguel OLIVEIRA | POR | Red Bull KTM Factory Racing | KTM | 333.3 | 1'40.592 | 0.726 / 0.102 |
| 10 | Takaaki NAKAGAMI | JPN | LCR Honda IDEMITSU | Honda | 332.3 | 1'40.611 | 0.745 / 0.019 |
| 11 | Alex MARQUEZ | SPA | LCR Honda CASTROL | Honda | 336.4 | 1'40.732 | 0.866 / 0.121 |
| 12 | Pol ESPARGARO | SPA | Repsol Honda Team | Honda | 335.4 | 1'40.743 | 0.877 / 0.011 |
| 13 | Luca MARINI | ITA | SKY VR46 Avintia | Ducati | 331.2 | 1'40.761 | 0.895 / 0.018 |
| 14 | Aleix ESPARGARO | SPA | Aprilia Racing Team Gresini | Aprilia | 333.3 | 1'40.907 | 1.041 / 0.146 |
| 15 | Valentino ROSSI | ITA | Petronas Yamaha SRT | Yamaha | 330.2 | 1'41.125 | 1.259 / 0.218 |
| 16 | Lorenzo SAVADORI | ITA | Aprilia Racing Team Gresini | Aprilia | 338.5 | 1'41.140 | 1.274 / 0.015 |
| 17 | Brad BINDER | RSA | Red Bull KTM Factory Racing | KTM | 337.5 | 1'41.183 | 1.317 / 0.043 |
| 18 | Danilo PETRUCCI | ITA | Tech 3 KTM Factory Racing | KTM | 328.2 | 1'41.187 | 1.321 / 0.004 |
| 19 | Franco MORBIDELLI | ITA | Petronas Yamaha SRT | Yamaha | 331.2 | 1'41.216 | 1.350 / 0.029 |
| 20 | Enea BASTIANINI | ITA | Avintia Esponsorama | Ducati | 335.4 | 1'41.836 | 1.970 / 0.620 |
| 21 | Iker LECUONA | SPA | Tech 3 KTM Factory Racing | KTM | 330.2 | 1'42.461 | 2.595 / 0.625 |
| 22 | Jorge MARTIN | SPA | Pramac Racing | Ducati | 338.5 | 1'42.921 | 3.055 / 0.460 |