Det stormiga vädret gjorde förrädiska racing på hala vägar men Team Skys Froome överlevde den slutliga nedstigningen till Morzine för att behålla sin övergripande ledning.
Froomes ledning över Romain Bardet på fyra minuter fem sekunder kommer inte att testas på slutscenen i Paris.
Scen 20 vanns av den spanska Movistar ryttaren Jon Izaguirre.
Han red bort från andra breakaway ryttare Jarlinson Pantano av IAM Cycling laget och 2014 Tour de France vinnare Vincenzo Nibali att vinna 146km scenen i fyra timmar, sex minuter och 45 sekunder.
Froome, som kraschade på en regnig nedstigning på fredag, var mer försiktig på lördagens droppe i Morzine och slutade mer än fyra minuter bakom Izaguirre men bara några sekunder på drift av sina rivaler i den övergripande ställningar.
"Jag behöver fortfarande få den gula tröjan till Paris i morgon men säkert racingsidan är klar och dammig," sade Froome, som vann 2013 och 2015 års utgåvor av tre veckors loppet.
"Det är en fantastisk känsla av lättnad, bara att komma över sista raden idag. Tack till alla mina lagkamrater, de har verkligen varit där för mig varje steg på vägen och jag kunde inte be om mer."
Fransmannen Bardet avslutade sex sekunder före Frome till cement andra plats, medan Quintana, som sade att han "led av allergier" under loppet, kommer att avsluta tredje.
Traditionen föreskriver att mannen i tävlingsledarens gula tröja inte utmanas under söndagens till stor del processionala slutskede i Paris som förväntas sluta i ett gäng sprint.
Den 113 km långa rutten från Chantilly kommer att börja på fotgängarmode med Froome poserar för fotografier med sina lagkamrater, smuttar det obligatoriska glaset champagne.
Scenen avslutas med nio varv runt centrum av Paris och Froome fortfarande måste tävla på kullerna i Champs-Elysees och göra det över mållinjen att krönas mästare för en tredje gång.
Genom att göra det, kommer han att bli bara den åttonde ryttaren att vinna tre Tour titlar, efter legendariska fem-tiden vinnare Jacques Anquetil, Eddy Merckx, Bernard Hinault och Miguel Indurain, samtidigt som du går Philippe Thys, Louison Bobet och Greg LeMond som alla har vunnit tre.
Froome kommer också att bli den första mannen sedan Indurain, som vann sina fem titlar i följd från 1991, för att framgångsrikt försvara titeln.
Tour regissör Christian Prudhomme sade att det var Froomes otroliga attacker på stadierna åtta och 11 som var de enastående ögonblicken för honom.
"Det var ingen överraskning eftersom Chris Froome vann. Men för mig var det inte samma sak som under tidigare år, sa han.
"När han anföll Peyrsourdes nedstigning var det en sån överraskning. Och han gjorde det igen när han följde med Peter Sagan i Montpellier. Jag gillade det väldigt mycket. Chris Froome var mycket bra, hans motståndare mindre bra."
Storbritanniens Adam Yates kommer att avsluta en fantastisk fjärde totalt och i besittning av den vita tröjan som den bästa ryttaren under 25 år.
23-åringen från Bury var tvåa från steg sju till 12, och förlorade bara tredje plats till Nairo Quintana, en av favoriterna före loppet, på fredagens näst sista scen i bergen.
Men hans ursprungliga nio sekunder underskott blev 19 när han straffas 10 sekunder för att ta emot en push från en Orica BikeExchange team-kamrat. Den klyftan utvidgades till 21 sekunder när han avslutade lördagens scen bakom Quintana.
Yates tröst var att behålla den vita tröjan, som han vann med två minuter och 16 sekunder före Sydafrikas Louis Meintjes.
Froome visste bara alltför väl hur lätt ett glid kunde ha kostat honom dyrt på den våta nedstigningen i detta böljande skede, med hans högra knä bandage från ett fall i liknande förhållanden föregående dag.
Han hade också drabbats av väg utslag på ryggen och, med vägen fuktig och nedförsbacken ser farliga, han var medveten om att stanna säkert runt sina lag-kamrater.
Geraint Thomas, som överlämnade sin cykel till Froome på fredag för att låta sitt lag ledare slutföra scenen, gjorde jobbet att vägleda den gula tröjan upp och över Col de Joux Plane, det sista berget i årets Tour.
Alla de allmänna klassificeringen löpare kvar i peloton med Froome, och takten ökade först när Roman Kreuziger hade hoppat från 12: e till andra totalt, orsakar liten oro bland podi utmanarna.
I slutändan, tjeckiska Kreuziger var oförmögen att upprätthålla tempot och en stor utbrytning var whittled ner till parningen av Jarlinson Pantano och Julian Alaphilippe, som snart anslöt sig och passerade 2014 mästare Vincenzo Nibali.
Nibali, en favorit för att vinna road race guld vid OS nästa månad, fångades av Pantano och en rebell Izaguirre, och den baskiska-födda ryttaren kom oklanderligt att göra anspråk på sin första Tour de France scenen seger och Movistars första av årets Tour.
"Jag tror att mina föräldrar måste ha varit rädda för att titta hemma", sade han. "Jag ville släppa Nibali för att jag var orolig för honom i en sprint. Att slå Nibali i en utförsbacke är något som räknas i en karriär."
Allmän klassificering efter etapp 20:
1. Vad är det för fel på dig? Chris Froome (GB/Team Sky) 86hrs 21mins 40seks
2 ) och 2......................................................................................................... Romain Bardet (Fra/AG2R) +4mins 05seks
3. Vad är det som händer? Nairo Quintana (Kol/Movistar) +4mins 21seks
Fyra. Adam Yates (GB/Orica) +4mins 42seks
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). Richie Porte (Aus/BMC Racing) +5mins 17seks
Steg 20 resultat:
1. Vad är det för fel på dig?  Jon Izagirre (Spa/Movistar) 4hrs 06mins 45seks
2 ) och 2.........................................................................................................  Jarlinson Pantano (Kol/IAM Cycling) +19seks
3. Vad är det som händer?  Vincenzo Nibali (Ita/Astana) +42sek
Fyra.  Julian Alaphilippe (Fra/Etixx - Snabbsteg) +49seks
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).  Rui Costa (Por/Lampre) +1min 43seks
6. Vad är det som händer?  Romerska Kreuziger (Cze/Tinkoff) +1min 44sek
7. Vad är det som händer?  Wilco Kelderman (Ned/LottoNL) +2mins 30seks
8. Vad är det som händer?  Joaquim Rodriguez (Spa/Katusha) +3mins 24seks
9. Utövande av delegeringen av befogenhet  Daniel Martin (Ire/Etixx - Snabbsteg) +4mins 12seks
- Tio. - Vad är det för fel på dig? Romain Bardet (Fra/AG2R) Samma tid
Andra markerade:
11. Vad är det som händer? Nairo Quintana (Kol/Movistar) Samma tid
- 13. - Vad är det? Adam Yates (GB/Orica) +4mins 14seks
14. Vad är det för fel på dig? Louis Meintjes (SA/Lampre) Samma tid
- 18 år. - Jag vet inte. Geraint Thomas (GB/Team Sky) 4mins 18seks
Tjugo. Chris Froome (GB/Team Sky) Samma tid
Chris Froome är inställd på att bli den första Briton att vinna tre Tour de France titlar efter att säkert förhandla en regndränkt näst sista scenen i Alperna.