24-åringen åkte ensam under de sista 18 kilometrarna av den 164 kilometer långa sträckan mellan La Tour-du-Pin och Villard-de-Lans, och vann i överlägsen stil.

"Det har varit en fantastisk dag. Jag visste att jag behövde vara ensam på slutet för att lyckas vinna, och när Carapaz tappade fart vid stigningen förstod att det var rätt tillfälle för mig att dra ifrån", säger han enligt cykeltävlingens webbplats.

Kämna var 1.27 snabbare än Carapaz och 1.56 före trean Sébastien Reichenbach från Schweiz.

Totalledaren Primoz Roglic, Slovenien var 16.48 efter Kämna men får fortsätta att cykla i den gula tröjan.

Nästa etapp, 170 kilometer mellan Grenoble och Méribel Col de la Loze, körs under onsdagen.