På den korte 148,9 kilometer lange etappen kjørte han over mål på 3.27.11, og briten var helt suveren i spurten.
Vincenzo Nibali leder fortsatt.
Foto: JOSEBA ETXABURU / ReutersKontrollerte konkurrentene
Da hele feltet kom samlet til mål kontrollerte han de hardeste konkurrentene på de siste meterne.
Juan Jose Haedo fra Argentina tok annenplassen foran portugiseren Manuel Cardoso etter at en utbrytergruppe på åtte ryttere var blitt innkjørt av feltet omtrent ti kilometer før mål.
Cavendish som kjører for HTC-laget, vant sin tredje- og lagets femte etappeseieren i årets ritt.
Nibali fortsatt i ledertrøya
Det forandret ikke på stillingen i sammendraget. Det er fortsatt Liquigas-rytteren Vincenzo Nibali som kjører i ledertrøya.
Det skiller 38 sekunder mellom ham og toeren Ezequiel Mosquera før de siste etappene. Fredag kjøres den lengste etappen i årets ritt. Da skal rytterne gjennom 231,2 kilometer fra Piedrahita til Toledo, og lørdag kjøres siste etappe med målgang i Madrid som vanlig.