Den 178,2 kilometer lange etappen fra Mijas til Alhaurín de la Torre endte som ventet i massespurt til tross for bruddforsøk underveis.
På de siste meterne viste storfavoritten Viviani rivalene ryggen og kunne juble for seier.
Disse nordmennene skal sykle Vuelta a España
Etter seieren kunne mannen i den italiensk mestertrøya rette en ekstra takk til sin danske lagkamerat Michael Mørkøv. Sistnevnte gjorde en formidabel jobb med å posisjonere italieneren i spurten.
Viviani tok sin 65. proffseier mandag, men han hadde aldri tidligere vunnet en etappe i Vueltaen.
Kanonsesong
– En fantastisk spurt. Det er alltid vanskelig å være sterkest i en spurt. Det var i tillegg vanskelig å kontrollere denne etappen. Målet var hele tiden å samle feltet, sa vinneren etter målgang.
– Dette var min første seier her. Jeg har vært nummer to flere ganger, så dette er jeg virkelig glad for, tilføyde han.
Nærmest seg på målstreken hadde Viviani landsmannen Giacomo Nizzolo. Deretter fulgte regjerende verdensmester Peter Sagan.
For det belgiske Quick-Step-laget, som har mandagens etappevinner i sin stall, har årets sesong vært et eventyr. Seierne har nærmest kommet som perler på en snor.
For kun en uke siden varmet nevnte Viviani opp til Vueltaen med å vinne Cyclassics-rittet i Hamburg. Alexander Kristoff ble der nummer tre.
Klatringer neste
Mandagens etappe førte ikke til betydelige endringer i sammendraget. Michal Kwiatkowski har fortsatt ledertrøya. Nærmest følger den spanske veteranen Alejandro Valverde.
Sven Erik Bystrøm og Vegard Stake Laengen fikk ikke med utfallet av mandagens etappe å gjøre.
Tirsdag venter den første virkelige prøven for sammenlagtkandidatene i årets ritt. Den 161,4 kilometer lange fjerdeetappen fra Vélez-Málaga til Alfacar inneholder to tøffe stigninger. Målgang er på toppen av den siste.