Den 23 år gamle amerikaneren tok en populær hjemmeseier ved å komme alene til mål på den femte etappen natt til fredag.
Etter toppen San Marcos Pass pilte Phinney av gårde alene i utforkjøringen og så seg aldri tilbake før etter målstreken nede i solfylte Santa Barbara.
– Dette er en stor seier, foran hjemmefansen. Jeg er fra Colorado, men jeg har gjort den utforkjøringen mange ganger. Det er alltid spesielt å vinne, men å vinne på denne måten er best, sier Phinney.
Etappeseieren i Tour of California er bare hans andre seier utenfor tempodisiplinen, som er hans spesialitet. Med et sent, men godt timet angrep kom han alene til mål på den fjerde etappen under Polen rundt i 2013.
– Jeg var aldri 100 prosent sikker, men jeg viste ved fem kilometer at jeg hadde 30 sekunder. Veien langs kysten tok lang tid, men jeg bare kjørte på da jeg kunne føle energien fra publikum. Det var veldig spesielt, sier Phinney – som tar sin første seier siden Dubai Tour i februar.
Phinney ble konstant pustet i nakken av et jagende hovedfelt anført av Peter Sagans grønnkledde Cannondale-lag. Spurtere som Mark Cavendish (Omega Pharma) og John Degenkolb (Giant-Shimano) var hektet av på 1.kategori stigningen som toppet seg 25 kilometer før mål.
På oppløpet vant Sagan spurten 12 sekunder bak Phinney, mens Matt Goss (Orica GreenEDGE) og Jasper Stuyven (Trek Factory Racing).
Bradley Wiggins (Team Sky) ble ikke utfordret på de 173.8 kilometerne mellom Pismo Beach til Santa Barabara natt til fredag og beholder sin gule ledertrøye med 28 sekunder foran Rohan Dennis (Garmin Sharp), og ett minutt og ni sekunder foran Tiago Machado (NetApp-Endura).
Natt til lørdag faller avgjørselsen i årets Tour of California idet rytterne skal ha målgang på Mountain High.