Armstrong, qui a conforté son maillot jaune, a repoussé l'Allemand Jan Ullrich, deuxième de l'étape, à 1 min 01 sec.
L'Italien Ivan Basso, le coureur le plus proche d'Armstrong au classement général, a cédé 2 min 23 sec dans cette 16e étape longue de 15,5 kilomètres.
Armstrong a dépassé Basso, parti deux minutes avant lui, à quelque 3 kilomètres de la ligne. Le coureur italien, à la peine, s'est classé finalement huitième.
A l'altitude de 1850 mètres, dans la station de l'Oisans, la troisième place est revenue au champion d'Allemagne Andreas Kloeden, distancé par Armstrong de 1 min 41 sec.
L'Italien Giuseppe Guerini (6e), derrière le Portugais José Azevedo et l'Espagnole Santos Gonzalez, a complété la bonne performance d'ensemble de l'équipe d'Ullrich.
Par un temps lourd, proche de l'orage, Armstrong a bouclé le parcours en 39 min 41 sec, à la moyenne de 23,4 km/h, à distance toutefois du record de la montée établi par le grimpeur italien Marco Pantani.
Les spectateurs n'ont laissé qu'un étroit couloir aux derniers coureurs partis, dans les premières rampes, jusqu'à rendre la course parfois dangereuse.
Ullrich, qui avait choisi de monter un guidon de triathlète sur son vélo, a même été légèrement déséquilibré par un spectateur.
Le champion olympique, qui a confirmé son regain de forme noté dans la précédente étape après ses défaillances des Pyrénées, s'est surpassé mais n'a pu rivaliser avec Armstrong, pour un résultat comparable à celui du contre-la-montre en côte de Chamrousse en 2001.
Le vélo de l'Américain a dû être pesé à quatre reprises avant que les commissaires donnent le feu vert. Il était auparavant en-deçà du poids minimum de 6,8 kg.
Sous les yeux de son amie Sheryl Crow, qui avait pris place dans la voiture suiveuse conduite par le directeur sportif Johan Bruyneel, Armstrong a enlevé sa troisième victoire d'étape individuelle depuis le départ. Il s'était déjà imposé au Plateau de Beille et à Villard-de-Lans.
Le Texan, âgé de 32 ans, a remporté sa 19e victoire d'étape individuelle dans le Tour auquel il participe pour la dixième fois.
Invaincu depuis 1999 dans la Grande Boucle, il est plus proche que jamais d'une sixième victoire, record du genre.
tsr.ch avec les agences