Hamilton emergió como el piloto más rápido en la segunda sesión de entrenamientos en el Gran Premio de España, derrotando por poco a Carlos Sainz, de Ferrari, para reclamar el primer lugar. El piloto británico, que ha luchado por convertir fuertes actuaciones en los entrenamientos en resultados reales en las carreras recientes, registró un tiempo de 1:13.264s al principio para tomar la delantera. La sesión, al igual que el primer entrenamiento, se llevó a cabo bajo cielo despejado, lo que permitió a los equipos con actualizaciones recopilar más datos. Sainz inicialmente lideró la tabla de tiempos en su país natal, con su compañero de equipo Charles Leclerc justo detrás en tercer lugar. Sin embargo, Hamilton respondió rápidamente con una vuelta que fue 0,033s más rápida que la de Sainz, asegurando el tiempo general más rápido. Sainz se mantuvo como el piloto principal de Ferrari en segundo lugar, mientras que Lando Norris mantuvo su buena forma al terminar en tercer lugar, solo 0,055s detrás de Hamilton. Pierre Gasly sorprendió con un cuarto lugar para el equipo Alpine en ascenso, con su compañero de equipo Esteban Ocon también desempeñándose bien en el noveno lugar. Max Verstappen, quien había minimizado las expectativas de dominio de Red Bull, terminó en quinto lugar, 0,240s detrás del líder. Oscar Piastri siguió el ritmo de Norris hasta el último sector y terminó en séptimo lugar, mientras que George Russell terminó en octavo lugar, 0,458s detrás de Hamilton. Sauber, el único equipo que aún no ha sumado puntos en esta temporada, recibió un pequeño impulso con Valtteri Bottas terminando en décimo lugar en la sesión. Los dos coches de Haas estuvieron a menos de ocho décimas de segundo de Hamilton, pero ni Kevin Magnussen ni Nico Hulkenberg lograron entrar en el top 10. Sergio Pérez, buscando recuperarse de una racha difícil, encontró otro contratiempo, ya que su tiempo, publicado después de sus rivales, lo colocó en el puesto 13. El rendimiento de Aston Martin pasó desapercibido, con el favorito local Fernando Alonso terminando en 14º y su compañero de equipo Lance Stroll cuatro posiciones detrás. La historia fue similar en Red Bull, con Yuki Tsunoda y Daniel Ricciardo terminando en 15º y 16º, respectivamente, y Zhou Guanyu de Sauber en 17º. Williams esperaba un rendimiento débil, y Alex Albon y Logan Sargeant cerraron la sesión con los tiempos más lentos.