Hamilton consiguió un tiempo de 1:31.660 con el neumático Blando, tras usar los Medios en los libres 1, para recortar más de medio segundo al tiempo de su pole de 2015.
Rosberg, mientras tanto, tuvo que ver toda la sesión desde el garaje de Mercedes después de que su F1 W07 Hybrid tuviera problemas al arrancar el motor.
Mercedes "encontró y arregló" la fuga de agua, pero volvieron a aparecer nuevos problemas en su segundo intento y tuvo que abandonar la sesión.
Red Bull terminó por detrás de Mercedes, con Daniel Ricciardo a cuatro décimas del tiempo de Hamilton y Max Verstappen a otras dos décimas.
Sebastian Vettel y Kimi Räikkönen fueron los siguientes con los Ferrari, separados por 0.166s, mientras Fernando Alonso puso el McLaren-Honda entre los seis mejores cronos.
Valtteri Bottas y Romain Grosjean terminarón séptimo y octavo con el Williams y el Haas, siendo los últimos pilotos en terminar a menos de dos segundos del crono de Hamilton.
Jenson Button consiguió terminar con el otro McLaren entre el top 10 mejorando al final de la sesión, a pesar de reportar problemas de potencia, y de "un grip muy bajo".
Felipe Massa terminó con el décimo mejor crono, mientras que el Haas de Esteban Gutiérrez separó el Toro Rosso de Carlos Sainz Jr. y el Daniil Kvyat, aunque ambos hicieron sendas excursiones por las escapatorias.
Sainz Jr. superó un momento dramático mientras pasaba por Luffield, pero Kvyat dañó el alerón delantero al sufrir un trompo en Club y pasar por encima de los pianos de entrada y de salida.
El piloto de Sauber Felipe Nasr terminó la sesión 14º, después de comunicar un problema con su coche, por delante de la pareja de pilotos de Force India Nico Hülkenberg y Sergio Pérez.
Pascal Wehrlein puso el Manor con motor Mercedes por delante del Renault de Jolyon Palmer, del Sauber de Marcus Ericsson y del otro RS16 de Kevin Magnussen.
Rio Haryanto terminó con el último crono a 1,3 segundos de su compañero de equipo Wehrlein, y a casi un segundo de Magnussen, que fue penúltimo.
RESULTADOS