24-åringen stakk også av med klatretrøyen i tillegg til etappeseieren.
– Dette er stort, jeg kan nesten ikke tro det. Det er alt jeg noensinne har drømt om, sier franskmannen, som deltar i sitt første Tour de France.
Calmejane la inn støtet rundt 15 kilometer før mål. Da hadde han opparbeidet seg en ledelse til nestemann på nesten 30 sekunder og et forsprang til hovedfeltet på nesten et halvannet minutt.
Calmejane lå an til en suveren seier, men plutselig tok krampen ham i det høyre låret i den siste oppoverbakken.
– Det er helt krise, ropte NRK radios kommentatorer Carl Andreas Wold og Ole Kristian Stoltenberg.
Overvant smertene
En tydelig sliten franskmann greide imidlertid å overvinne smertene og beholdt ledelsen til hovedfeltet.
– Jeg bestemte meg for å skifte gir, slik at jeg kunne trø raskere, forklarer han til Reuters.
– Jeg kjente krampen hver gang jeg rettet ut beinet, det var ikke langt unna en katastrofe, men dette var min dag, forteller han.
En imponerende oppvisning av rytteren, som til slutt maktet å kjøre alene over målstreken til vill jubel fra publikum i Station des rousses.
– En ellevill etappe, mente NRKs kommentatorer.
Robert Gesink sikret andreplassen på etappen, mens Guillaume Martin tok tredjeplassen.
Froome i grøfta
Chris Froome beholder den gule trøya og sammenlagtledelsen i Tour de France, til tross for at han havnet i grøften fire mil fra mål. Også Geraint Thomas var innblandet i utforkjøringen. De kom seg imidlertid begge raskt på veien igjen.
Ingen nordmenn var med i kampen om etappeseieren i den åttende etappen av Tour de France lørdag.
Edvald Boasson Hagen prøvde seg på et brudd tidlig på etappen, men valgte etter hvert å ta det med ro.
Tour de France fortsetter søndag mellom Nantua og Chambéry.