Hamilton emergiu como o piloto mais rápido na segunda sessão de treinos do Grande Prêmio da Espanha, derrotando por pouco Carlos Sainz da Ferrari para conquistar o primeiro lugar. O piloto britânico, que tem lutado para converter fortes desempenhos nos treinos em resultados reais de corrida recentemente, registrou um tempo de 1:13.264s logo no início para assumir a liderança. A sessão, assim como o primeiro treino, foi realizada sob céus limpos, permitindo que as equipes com atualizações coletassem mais dados. Sainz inicialmente liderou a tabela de tempos em seu país natal, com seu companheiro de equipe Charles Leclerc logo atrás em terceiro lugar. No entanto, Hamilton rapidamente respondeu com uma volta que foi 0.033s mais rápida que a de Sainz, garantindo o tempo mais rápido geral. Sainz permaneceu como o principal piloto da Ferrari em segundo lugar, enquanto Lando Norris manteve sua boa forma ao terminar em terceiro, apenas 0.055s atrás de Hamilton. Pierre Gasly surpreendeu com um quarto lugar para a crescente equipe Alpine, com seu companheiro de equipe Esteban Ocon também se saindo bem em nono lugar. Max Verstappen, que havia minimizado as expectativas de domínio da Red Bull, terminou em quinto, 0.240s atrás do líder. Oscar Piastri acompanhou o ritmo de Norris até o setor final e terminou em sétimo lugar, enquanto George Russell terminou em oitavo, 0.458s atrás de Hamilton. A Sauber, a única equipe que ainda não pontuou nesta temporada, recebeu um pequeno impulso com Valtteri Bottas terminando em décimo na sessão. Os dois carros da Haas estavam a menos de oito décimos de segundo do ritmo de Hamilton, mas nem Kevin Magnussen nem Nico Hulkenberg conseguiram entrar no top 10. Sergio Perez, buscando se recuperar de uma fase difícil, encontrou outro revés, já que seu tempo, registrado após seus rivais, o colocou em 13º. O desempenho da Aston Martin foi medíocre, com o favorito da casa Fernando Alonso terminando em 14º e seu companheiro de equipe Lance Stroll quatro posições atrás. A história foi semelhante na Red Bull, com Yuki Tsunoda e Daniel Ricciardo terminando em 15º e 16º, respectivamente, e Zhou Guanyu da Sauber em 17º. A Williams esperava um desempenho fraco, e Alex Albon e Logan Sargeant encerraram a sessão com os tempos mais lentos.