Glasgow Warriors huvudtränare Townsend, 43, arbetade tidigare med Skottland som en del av Andy Robinsons backroompersonal.
Den tidigare Skottland-flughalvan, som vann 82 kapsyler - plus två för Lions - ledde Warriors till Pro12-titeln 2015.
"Jag är otroligt stolt. Det är en verklig ära att få ansvaret att coacha landslaget," sade Townsend.
"Mitt fokus ligger starkt på säsongen framöver med Glasgow och jag kommer att göra allt jag kan för att hjälpa klubben att fortsätta framåt i år."
New Zealander Cotter, 54, har varit ansvarig för skottarna sedan 2014 och ledde dem till VM kvartsfinalen förra året.
Strax före den turneringen hade den tidigare Clermont Auvergne huvudtränaren förlängt sitt kontrakt till 2017.
Skottland förlorade alla fem testerna i sina första sex nationer men de förbättrades i år med segrar över Italien och Frankrike, poäng en bästa någonsin 11 försök i en enda kampanj.
"Jag tror att vi har gått vidare genom att arbeta för att utföra de enkla saker väl," sade Cotter, som nu har coachat i Europa i ett decennium efter en åtta års trollformel i Frankrike med Clermont Auvergne.
"Inriktningen har varit att respektera traditionen men också att prestera i nuet, vara anpassningsbar och innovativ. Jag har verkligen varit nöjd med de framsteg som har gjorts."
Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Scottish Rugby chef Mark Dodson tackade Cotter för hans "betydande effekt" men sade att tiden var rätt att främja "en av de mest eftertraktade tränare i spelet", två år ut från nästa VM 2019.
"Tiden är rätt att ta utvecklingen av det nationella laget framåt med Gregor," sade Dodson.
"Gregors spelrekord visade att han är en man med vision och stor professionalism, som han sedan dess framgångsrikt har överfört till sina coachroller.
"Det är dessa faktorer som jag tror kommer att göra det möjligt för Skottland att fortsätta framåt och bygga vidare på Verns starka grundvalar, med den nuvarande gruppen av aktörer och framtida skotska internationaler."
Dodson har nu inlett en rekryteringsprocess för att hitta Townsends ersättare i Glasgow för nästa säsong.
Gregor Townsend ska ersätta Vern Cotter som Scotland huvudtränare i juni 2017, Scottish Rugby har meddelat.