Vainqueur du championnat de GP3 Series 2011, il fait ses débuts en Formule 1 en 2013 au sein de l'écurie Williams et obtient ses premiers podiums l'année suivante. À la suite du départ inattendu de Nico Rosberg, cinq jours après l'obtention de son titre mondial, Bottas est recruté par Mercedes Grand Prix pour faire équipe avec Lewis Hamilton en 2017 ; il obtient la première victoire de sa carrière lors de son départ en Formule 1, à l'arrivée du Grand Prix de Russie. L'année suivante, alors que son coéquipier obtient onze succès, il ne gagne aucun Grand Prix, puis renoue avec la victoire au départ de sa troisième saison avec Mercedes, lors de la première course du championnat 2019 à Melbourne. Il est l'auteur de quatre victoires, réalise avec son coéquipier neuf doublés en 2019 et termine vice-champion du monde. Pilotant pour une quatrième saison aux côtés d'Hamilton lors du championnat 2020, il est au mois d'août reconduit chez Mercedes pour l'exercice suivant, en 2021, et termine vice-champion du monde pour une seconde fois consécutive.