2015 bildeten Bottas und Massa erneut das Williams-Fahrerduo. Beim Saisonauftakt in Australien erlitt Bottas im Qualifying einen kleinen Riss in der Bandscheibe. Er verbrachte eine Nacht im Krankenhaus und wurde für das Rennen zurückgezogen. Bottas führt seitdem regelmäßig spezielle Übungen für den unteren Rücken und die dortigen Muskelpassagen durch, um eine gesundheitliche Schädigung zu vermeiden. Er kehrte beim nächsten Rennen in Malaysia ins Cockpit zurück und erreichte den fünften Platz. In Bahrain lieferte Bottas sich über mehrere Runden in der zweiten Rennhälfte ein Duell gegen Sebastian Vettel um den vierten Platz, bei dem es ihm gelang, Vettel hinter sich zu halten. Beim Großen Preis von Kanada erzielte Bottas mit Platz drei die erste Podest-Platzierung der Saison. In Mexiko wurde er ebenfalls Dritter. Bottas setzte sich mit 136 zu 121 Punkten gegen Massa durch und erreichte den fünften Gesamtrang.