En un día tranquilo hasta Matera, la carrera estalló en el final con el UAE Team Emirates a la cabeza, tratando de romper el espíritu de Pedersen en las colinas hacia la ciudad.
Pero, Pedersen, aunque visiblemente en apuros fue capaz de volver al frente de la carrera en los 500 metros finales tras un buen trabajo de su compañero de equipo checo Mathias Vacek, lanzó su sprint a 250 metros de la cabeza.
Zambenini, del Bahrain Victorious, fue el más rápido en meta, pero la línea llegó demasiado rápido para el italiano. Tom Pidcock terminó tercero en el sprint reducido.
Pedersen explicó: "Han sido 20 kilómetros increíblemente duros y he sufrido mucho. Ha sido muy duro y no estaba seguro (de haber ganado).
"Lo he pasado muy mal y he gastado mucha energía para llegar a rueda de (Mathias) Vacek, y por suerte he tenido suficiente para la victoria".
Con su tercera victoria en lo que va de carrera, Pedersen amplía su ventaja en la clasificación general a 17 segundos sobre Primoz Roglic, favorito antes de la carrera, gracias a los segundos de bonificación en la línea de meta, con Vacek a otros siete segundos.
Pedersen se convierte así en el quinto corredor del siglo XXI que gana tres de las cinco primeras etapas de una gran vuelta.
Antes, tres corredores se escaparon en la escapada del día. El trío italiano, formado por Giosue Epis, Lorenzo Milesi y Davide Bais, nunca llegó a distanciarse más de dos minutos y medio del pelotón, controlado por el Lidl-Trek, mientras los corredores se dirigían de Ceglie Messapica a Matera.
En los dos sprints intermedios, después de que la escapada se hiciera con los grandes puntos, el líder de la general, Pedersen, se deshizo del resto para ampliar su ventaja en la clasificación al sprint.
A falta de 42 kilómetros, Bais y Milesi dejaron atrás a Epis, pero su esfuerzo fue en última instancia inútil, ya que fueron alcanzados a falta de 13,2 km.
La carrera se dirige a Nápoles el jueves, en lo que se espera que sea una etapa versátil al sprint, en la que los corredores recorrerán 227 km desde Potenzza.