Rosberg'in emekliliğinin ardından son şampiyon Mercedes'te Hamilton'ın yanındaki boş koltuk için dünya şampiyonları Fernando Alonso ve Sebastian Vettel'in yanı sıra Red Bull pilotları Daniel Ricciardo ve Max Verstappen'in ve son sezonu Manor Racing'de geçiren Mercedes genç pilotu Pascal Wehrlein'ın isimleri tartışıldı. Mercedes, Ocak ayında aynı zamanda takım patronu Toto Wolff'ün menajerliğini yaptığı Williams pilotu Valtteri Bottas'ı takıma kattığını açıkladı. Böylece Hamilton, Heikki Kovalainen'den beri ikinci kez Formula 1'de bir Finlandiyalı ile takım arkadaşı olmuş oldu. 'de eski takım arkadaşı Rosberg'in aksine Bottas'ın Hamilton ile kızgın bir şampiyonluk rekabetine girememesi nedeniyle Hamilton'ın şampiyonluk yolundaki en büyük rakibi, Sebastian Vettel oldu. Sezon boyu 11 kez pol pozisyonu kazanıp Formula 1 tarihinde en çok pol pozisyonu kazanan pilot olan Hamilton, çıktığı tüm yarışlarda puan almayı başararak 9 yarış zaferi ile 4. kez şampiyon oldu. Sezonun 13. yarışı olan İtalya Grand Prix'ye kadar şampiyonluk yarışında Vettel'in gerisinde kalan Hamilton, İtalya'da liderliği Vettel'dan alarak puan farkını açmaya başladı. Meksika Grand Prix'de Hamilton, yarışı kazanan Max Verstappen'den 1 tur fark yiyerek 9. tamamlasa da Vettel'in 4. bitirmesiyle beraber sezonun bitimine 2 yarış kala şampiyonluğunu ilân etti.