Bottas was die reserwejaer vir die Williams F1-span in die Formule 1-seisoen in 2010. Hy het sy eerste vrye oefening tydens die 2012 Maleisiese Grand Prix onderneem. Hy het in 2012 altesaam 15 oefensessies op Vrydae voltooi, deur elke keer die plek van die renjaer Bruno Senna oor te neem. Op 28 November 2012 is aangekondig dat Bottas in 2013 die renjaer vir die Williams-span sou word. Pastor Maldonado, wat sedert 2011 by Williams was, het sy spanmaat geword. In sy sewende weden in Kanada het Bottas vir 'n groot verrassing gesorg deur met die onmededingende Williams in die derde plek agter Sebastian Vettel en Lewis Hamilton te kwalifiseer. In die wedren het hy egter slegs veertiende kon eindig, 'n rondte agter die wenner Vettel. In die 2013 Verenigde State Grand Prix het Bottas weer in die top tien gekwalifiseer, hy kon nou sy posisie op agtste plek behou en verdien daarmee sy eerste punte in Formule Een.