Der 29-Jährige vom Team Astana setzte sich nach 201 km von York nach Sheffield in England vor dem Belgier Greg Van Avermaet (BMC) und dem Polen Michal Kwiatkowski (Quick Step) durch.
Über das anspruchsvolle zweite Teilstück rettete Kittel seine Führung erwartungsgemäß nicht. Weit mehr als der Verlust des Gelben Trikots dürften Kittel am Sonntag die neun Bergwertungen der 201 km langen Etappe nach Sheffield geschmerzt haben. Dem höher werdenden Tempo der Feldes konnte er im letzten Drittel nicht mehr folgen und ließ abreißen.
In der finalen Phase geriet das Rennen zu einer ersten Prüfung der Top-Favoriten. Am Anstieg zur Jenkin Road, einer Bergwertung der vierten Kategorie fünf Kilometer vor dem Ziel, ließen Titelverteidiger Christopher Froome (Großbritannien/Sky) und Herausforderer Alberto Contador (Spanien/Tinkoff) die Muskeln spielen.
In der Abfahrt setzte dann der italienische Mitfavorit Vincenzo Nibali (Astana) den entscheidenden Angriff und löste Kittel mit dem Etappensieg als Gesamtführenden ab.
Die 2. Etappe in der Übersicht
Voigt verliert Bergtrikot
Wie der Arnstädter tritt auch Altmeister Jens Voigt am Montag wieder im gewohnten Team-Trikot an. Zum Auftakt hatte der 42-Jährige mit einer Solofahrt brilliert und sich am Ende mit dem Bergtrikot belohnt - nach 1998 das zweite seiner Karriere.
"Jetzt war ich ein letztes Mal im Fernsehen", sagte Voigt, der mit seiner 17. Teilnahme zu den Rekordteilnehmern George Hincapie (USA) und Stuart O'Grady (Australien) aufschloss: "Ich war weit über meinem Limit, bin 'all in' gegangen."
Von Cambridge nach London
Nach dem Auf und Ab auf der zweiten Etappe ist das dritte Teilstück der 101. Tour de France wieder ganz nach dem Geschmack der Top-Sprinter. Über 155 km führt der letzte Tagesabschnitt in England von der Universitätsstadt Cambridge in die Hauptstadt London.
Die kurze und durchweg flache Etappe bietet vom Profil her keinen nennenswerten Schwierigkeiten, kommt ohne Bergwertung aus und dürfte demnach in einem klassischen "Sprint Royal" enden - für Marcel Kittel die große Chance auf einen weiteren Tagessieg.