Den 23-årige belgaren återtog ledartröjan efter sin seger på söndagens nionde etapp. Men sent samma kväll kom beskedet att ett coronatest gett utslag, och att han därmed tvingas bryta tävlingen.
"Jag är väldigt ledsen över att behöva hoppa av tävlingen. Som en del av stallets rutiner tog jag ett test som dessvärre var positivt", säger Remco Evenepoel i ett uttalande, rapporterar AFP.
I fjol tog Evenepoel VM-guld i linjelopp och vann också Spanien runt. Han kom därför till Giro d'Italia som förhandsfavorit, men får nu lämna Italien tomhänt.
Efter söndagens etappseger kände han att någonting inte stämde, och var orolig för att vara på väg att bli sjuk.
"Det här förklarar allting", säger Patrick Lefevere, chef för Evenepoels stall Soudal Quick-Step.
"Jag hoppas att alla kan respektera hans kommande återhämtningsperiod liksom hans privatliv. Han kommer att komma tillbaka stark."
Ny totalledare är walesaren Geraint Thomas, som har två sekunders försprång till slovenen Primoz Roglic.