Tysklands Lisa Brennauer var kantad in i andra eftersom Vos kom tredje för att flytta tre sekunder från Christine Majerus av Luxemburg.
Majerus, som kom femma, hade pippat Vos till seger på öppningsbenet av femstegsloppet på onsdag.
Lizzie Armistead var den högst placerade Briton, på 18: e, på 140 km resa från Atherstone till Stratford-Upon-Avon.
Den 27-åriga regerande världen, Samväldet och nationella road race mästare tog den bästa brittiska Rider jersey som hon fortsätter sina förberedelser för de olympiska spelen i Rio de Janeiro i augusti.
Ta reda på hur du kommer in i cykling med vår speciella guide.
1. Vad är det för fel på dig? Amy Pieters (Ned/Wiggle High5) 3 timmar 36mins 55seks
2 ) och 2......................................................................................................... Lisa Brennauer (ger/canyon-SRAM) samtidigt
3. Vad är det som händer? Marianne Vos (Ned/Raboliv) samtidigt
Fyra. Gracie Elvin (Aus/Orica-AIS) samtidigt
För att uppnå detta mål har kommissionen beslutat att inleda ett förfarande enligt artikel 108.2 i fördraget om Europeiska unionens funktionssätt (nedan kallat EUF-fördraget). Christine Majerus (Lux/Boel-Dolmans) samtidigt
6. Vad är det som händer? Emma Johansson (Swe/Wiggle High5) samtidigt
7. Vad är det som händer? Giorgia Bronzini (Ita/Wiggle High5) samtidigt
8. Vad är det som händer? Floortje Mackaij (ned/liv-plantur) samtidigt
9. Utövande av delegeringen av befogenhet Leah Kirchmann (Kan/Liv-Plantur) samtidigt
- Tio. - Vad är det för fel på dig? Anna van der Breggen (Ned/Raboliv) samtidigt
Utvalda andra
- 18 år. - Jag vet inte. Lizzie Armitstead (GB/Boels-Dolmans) samtidigt
- 19. - Vad är det för fel på dig? Dani King (GB/Wiggle High5) samtidigt
- 32. - Vad är det för fel på dig? Laura Massey (GB/Drops) +1min 42seks
- Jag är 45. Jessie Walker (GB/British National) samtidigt
46. Vad är det för fel på dig? Rebecca Durrell (GB/Drops) +4mins 57seks
- 48. - Vad är det för fel på dig? Annasley Park (GB/British National) samtidigt
Det här är 53. Grace Garner (GB/British National) samtidigt
1. Vad är det för fel på dig? Marianne Vos (Ned/Raboliv) 7hrs 1min 26seks
2 ) och 2......................................................................................................... Christine Majerus (Lux/Boel-Dolmans) +3seks
3. Vad är det som händer? Amy Pieters (Ned/Wiggle High5)) +7seks
Fyra. Lisa Brennauer (ger/canyon-SRAM) +11seks
För att uppnå detta mål har kommissionen beslutat att inleda ett förfarande enligt artikel 108.2 i fördraget om Europeiska unionens funktionssätt (nedan kallat EUF-fördraget). Giorgia Bronzini (Ita/Wiggle High5) +13seks
6. Vad är det som händer? Leah Kirchmann (Kan/Liv-Plantur) samtidigt
7. Vad är det som händer? Gracie Elvin (Aus/Orica-AIS) +14sek
8. Vad är det som händer? Lizzie Armitstead (GB/Boels-Dolmans) +16seks
9. Utövande av delegeringen av befogenhet Floortje Mackaij (ned/liv-plantur) +17seks
- Tio. - Vad är det för fel på dig? Emma Johansson (Swe/Wiggle High5) samtidigt
Marianne Vos flyttade in i den övergripande ledningen på Women's Tour när hennes holländska landsman Amy Pieters vann etapp två.