Bottas aloitti kauden vahvasti ajamalla paalulta voittoon kauden avauskilpailussa, joka ajettiin koronapandemian vuoksi poikkeuksellisesti Itävallassa. Britannian GP:ssä Bottas kärsi rengasrikon loppukierroksilla jääden pisteiden ulkopuolelle menettäen MM-johtonsa Hamiltonille. Venäjän GP:ssä Bottas ajoi kauden toisen voittonsa. Eifelin GP:ssä Bottas joutui keskeyttämään tekniseen vikaan. Elokuussa 2020 Mercedes tiedotti tehneensä vuoden jatkosopimuksen Bottaksen kanssa. Sakhirin GP:ssä Bottas ajoi paalulle F1-historian nopeimmalla paalupaikka-ajalla 53,377 rikkoen Niki Laudan Dijon-Prenois’n radalla vuoden 1974 Ranskan GP:ssä ajetun 58,79 sekunnin ajan. Kilpailussa Bottaksen toinen varikkokäynti meni pieleen tallin laitettua hänelle tarkoitetut renkaat vahingossa Hamiltonia tuuranneen Russellin autoon, jolloin Bottas joutui ajamaan koko kilpailun samoilla renkaillaan, mikä pudotti hänet kahdeksanneksi. Kauden päättävässä Abu Dhabin GP:ssä Bottas ajoi toiseksi varmistaen MM-sarjan kakkossijansa.