Niente sorprese in questa terza sessione: è stato nuovamente Nico Rosberg a cogliere il miglior tempo della sessione con il crono di 1'23"078. A quindici minuti dalla fine della sessione il pilota tedesco è stato rallentato da un presunto problema al propulsore della sua W07 Hybrid ed è stato costretto a rientrare ai box dove i meccanici della scuderia di Brackley hanno scoperto che si trattava solo di un inconveniente ad un sensore. Rosberg ha preceduto Lewis Hamilton, staccato di 126 millesimi dal compagno di squadra. Segue Sebastian Vettel: il pilota della Ferrari ha fatto segnare il terzo tempo di sessione, staccato di soli 21 millesimi da Hamilton, secondo classificato. La scuderia di Maranello sembra essere più vicina alla Mercedes a Montmelò rispetto agli altri circuiti, in particolare nei long run; non abbastanza, però, da insidiare la Mercedes sul giro secco. Al contrario del compagno di squadra, il finlandese Kimi Raikkonen è giunto soltanto sesto per via del traffico incontrato nel terzo settore.
Quarta posizione per Max Verstappen: il pilota olandese, al debutto in Spagna al volante della RB12, sembra decisamente essersi adattato al nuovo telaio e al propulsore Renault della sua nuova monoposto. Verstappen ha fatto registrare un tempo di 97 millesimi più veloce rispetto al compagno di squadra, Daniel Ricciardo, che lo segue in classifica. Una prestazione decisamente degna di nota, quella del giovanissimo olandese. Segue l'alfiere della Williams, Valtteri Bottas, che ha preceduto il pilota della Force India, Sergio Perez. Chiudono la top ten Daniil Kvyat, e il pilota della McLaren, Fernando Alonso.
Undicesima posizione per il pilota della Force India, Nico Hulkenberg, che ha preceduto Felipe Massa, seguito dall' idolo di casa, Carlos Sainz. Quattordicesimo crono di sessione per il il pilota della Haas Racing, Romain Grosjean, che precede Jenson Button, della McLaren, Kevin Magnussen, in forza alla Renault, e Esteban Gutierrez. Diciottesima posizione per Jolyon Palmer, seguito dai due piloti della Sauber, Felipe Nasr e Marcus Ericsson. A chiudere la classifica le due Manor di Pascal Wehrlein e Rio Haryanto.
