Det var 37-årige Gilberts annen etappeseier i årets utgave av rittet og den sjuende totalt.
Quintana klatret fra 6.- til 2.-plass i sammendraget og er nå bare 2.24 minutter bak Primoz Roglic i ledertrøya etter å ha slått ham og de andre favorittene med nesten fem og et halvt minutt på den 17. etappen.
Edvald Boasson Hagen var med i bruddet og gjorde alt han kunne for å kjempe om seier, men han greide ikke å henge med Gilbert mot slutten og endte på 11.-plass.
Sam Bennett ble toer og Rémi Cavagna nummer tre.
Carl Fredrik Hagen satt i gruppa med de fleste av sammenlagtfavorittene. Han beholdt sin 9.-plass i sammendraget og ligger fortsatt an til en knallsterk topp-ti-plassering.
Tidlig brudd
I utgangspunktet lå det ikke an til å skje mye spennende på en ganske flat etappe, men et stort brudd kom av gårde tidlig på etappen og holdt helt til mål. I bruddet hadde Gilbert selskap av nesten alle sine lagkamerater i QuickStep-laget, mens Quintana hadde hjelp av tre Movistar-kollegaer. Utbryterne holdt en vanvittig fart i sidevinden som preget etappen, og forfølgerne greide aldri å hente dem inn.
– Det er en veldig spesiell seier. Vi syklet som gale helt fra start. Det var 40 stykker med, og blant dem sju av de åtte i laget mitt. Vi jobbet for hverandre og hjalp hverandre å holde moralen oppe. Vi syklet veldig, veldig raskt. På noen av flatene var vi oppe i 75 km/t. I alle mine år som syklist tror jeg aldri jeg vært med på noe slikt. Det var rett og slett «crazy», sa Gilbert i et intervju vist på TV 2.
Quintana innledet etappen på 6.-plass i sammendraget, 7.43 minutt bak ledende Primoz Roglic. Også Wilco Kelderman var med i onsdagens vellykkede brudd og forbedret posisjonen i sammendraget. Han klatret til 5.-plass.
Syklet som gale
Roglic, som på hviledagen tirsdag signerte en ny og forbedret kontrakt med Jumbo-Visma-laget, ligger fortsatt best an til å vinne sammenlagt. Likevel var han ikke tilfreds med dagen.
– Jeg gjorde en feil i dag. Jeg skulle vært helt i front og ikke tillatt bruddet å gå uten meg. Laget mitt berget meg med stor innsats, og vi er fortsatt i posisjon til å forsvare ledertrøya, sa sloveneren.
– Vi tapte et slag i dag, men ikke krigen.
Torsdag venter en virkelig kraftprøve. Fjelletappen på 177,5 kilometer inneholder fire tøffe stigninger på veien til Becerril de la Sierra, og Roglic vil bli utfordret.