Für die Formel-1-Weltmeisterschaft 2017 wurde Bottas von Mercedes verpflichtet. Ursprünglich besaß er einen Vertrag mit Williams für eine weitere Saison, nach dem Rücktritt von Nico Rosberg wechselte er als dessen Nachfolger den Rennstall. Bei Mercedes wurde er Teamkollege von Lewis Hamilton. Beim Saisonauftakt in Australien wurde er Dritter. Beim Großen Preis von Bahrain erzielte er seine erste Pole-Position. Im Rennen wurde er Dritter. Anschließend gewann er zwei Wochen später in Russland seinen ersten Grand Prix. Beim Großen Preis von Aserbaidschan erreichte er den zweiten Platz nach einem Überholmanöver gegen Lance Stroll auf der Start-Ziel-Gerade. Ein Rennen später in Österreich erzielte er seinen zweiten Sieg. Anschließend wurde er Zweiter beim Großen Preis von Großbritannien und Dritter beim Großen Preis von Ungarn. In Italien stand er als Zweiter ebenfalls auf dem Podium. Beim darauf folgenden Großen Preis von Singapur wurde er Dritter. In Mexiko und Brasilien gelangen ihm als Zweiter weitere Podest-Platzierungen. Das Saisonfinale, den Großen Preis von Abu Dhabi, gewann er. Am Saisonende belegte er den dritten Gesamtrang.