この年からチーム名称を「メルセデスAMG・ペトロナス・モータースポーツ」に変更。ハミルトンが残留した一方、引退したロズベルグに代わるドライバーは既に殆どのシートが決まっていたため難航したが、2016年までウィリアムズで参戦し、チーム代表のヴォルフがマネージメントを行っているバルテリ・ボッタスを迎えることとなった。1月10日、エグゼクティブディレクターのパディ・ロウがチームを離脱した。前年7月にフェラーリを離脱したジェイムズ・アリソンがテクニカルディレクターとして3月1日に加入。エースのハミルトンは、開幕戦オーストラリアGPでフェラーリのベッテルに逆転され優勝を逃したが、第2戦中国GPでグランドスラムを達成した。第3戦バーレーンGPではボッタスが初のポールポジションを獲得したが、再びベッテルに逆転勝利を許した。第4戦ロシアGPは予選でフェラーリ勢にフロントロー独占を許したが、決勝ではボッタスが逆転して初勝利を飾った。第7戦カナダGPでハミルトンがシーズン2度目のグランドスラムを達成し、シーズン初のワン・ツー・フィニッシュとなった。これ以降は安定して勝利を積み重ねていき、秋以降はフェラーリのマシントラブルなどによる失速にも助けられ、第17戦アメリカGPでコンストラクターズタイトル4連覇、第18戦メキシコGPでハミルトンが2年ぶりのドライバーズチャンピオンを獲得した。最終戦アブダビGPでボッタスがポール・トゥ・ウィンを達成したがベッテルのポイントに届かず、4年連続ドライバーズランキング1-2独占とはならなかった。この年は20戦中優勝12回、ポールポジション15回、ワン・ツー・フィニッシュ4回といずれも前年を下回ったが、ハミルトンは全戦入賞、ボッタスもリタイア1回のみという高い信頼性を誇った。
ドライバーはそのまま続投。2014年と相変わらずの強さを見せるが中盤戦でややつまずく。イギリスGPではスタートで出遅れセカンドローにいたウィリアムズ2台に先行を許したり（最終的には2台とも逆転）、ハンガリーGPでは、V6ターボエンジンになってはじめて2人とも表彰台に上がることができなかった。それでも2人とも安定した完走率を誇っており第15戦ロシアGPでコンストラクターズチャンピオンを早々に決定。続くアメリカGPでハミルトンがドライバーズタイトルを決定させた。ロズベルグも終盤に3連勝を達成するなど強さを見せた。結果的には19戦中16勝、うち12回がワンツーフィニッシュで、ワンツーフィニッシュの回数は前年を上回る結果となった。予選の圧倒的な速さは相変わらずで、この年もメルセデスがポールポジションを逃したのはフェラーリのセバスチャン・ベッテルにポールポジションを許したシンガポールGPの1回のみであった。
ドライバーはそのまま続投。パワーユニット（ターボエンジン復活）導入など、全参戦チーム中レギュレーションの大幅改訂に最も上手く対応し、19戦中優勝16回、ポールポジション18回、ワンツーフィニッシュ11回と、前年までのレッドブル勢の勢いをそのまま奪ったかのごとくシーズンを通じて圧倒的な信頼性とパフォーマンスを発揮。全レースでどちらかのドライバーかが必ず表彰台に上っており、第16戦ロシアGPでコンストラクターズタイトルを獲得した。ハミルトンとロズベルグでドライバーズタイトルを最後まで争ったが、最終戦のアブダビGPではF1では唯一のダブルポイントレースとして、ハミルトンが6年振りにドライバーズタイトルを獲得した。
シューマッハの後釜に、2008年の年間王者でマクラーレンの生え抜きであったルイス・ハミルトンが移籍。ロズベルグがモナコとイギリスで優勝し、ハミルトンもハンガリーで優勝した。このシーズンはレッドブルとセバスチャン・ベッテルの記録的な圧勝劇であったものの、コンストラクターズランキングにおいてフェラーリと激しい2位争いを展開したメルセデスは僅差で2位となり、2010年以降で最高の成績を収めた。ドライバーズランキングではハミルトンが4位、ロズベルグが自己最高の6位に入った。シーズン終了直後、ブラウンがチームを離れることを発表した。
この年よりチーム名をメルセデスGPから「メルセデスAMG・ペトロナス・F1チーム」に変更した。革新的なWダクトを搭載したF1 W03はシーズン前のテストから好調さが噂され、実際に開幕戦と第2戦ではシューマッハがそれぞれ予選4番手と3番手につけた。シューマッハが予選TOP3に入るのは2006年日本GP以来となる。しかし決勝になるとレースペースの悪さが露呈して、ポイント獲得がやっとという状況になってしまった。チームは燃料の重い状態でのペースの悪さとタイヤマネージメントに問題があると認めている。しかし第3戦中国GPでは予選でロズベルグが自身、チーム共に初となるポール・ポジションを獲得。決勝でも独走態勢を築き、危なげなくポール・トゥ・ウィンを達成し、同じく自身とチーム共に初優勝を果たした。ワークスチームとしてのメルセデスがF1で勝利を挙げるのは実に57年ぶり、1955年のイタリアGPでのファンジオの優勝以来であった。シーズン終了後にシューマッハが二度目の引退、メルセデスチームでは未勝利に終わった。9月に、3度のワールドチャンピオンであるニキ・ラウダが非常勤会長に就任した。
2011年シーズン終了時点でコンストラクター部門で4位、表彰台回数はゼロであり、上位3チームとの差は前年よりも広がった。前年はシーズンを通してロズベルグの後塵を拝していたシューマッハだったが、今シーズンはポイントランキングでは負けたものの差を縮めることができた。
1983年、ジョドレルバンク天文台において開かれた "superluminal workshop" において、それまでに知られていた7つの超光速ジェットが言及されている。Schilizzi ... presented maps of arc-second resolution [showing the large-scale outer jets] ... which ... have revealed outer double structure in all but one (3C 273) of the known superluminal sources. An embarrassment is that the average projected size [on the sky] of the outer structure is no smaller than that of the normal radio-source population.言い替えれば、ジェットは平均してあきらかに我々の視線方向に近くないということである（それらのみかけの長さはもし視線方向に近いとすればもっと短いはずである）。1993年、トムソンらはクェーサー 3C 273 の（外向き）ジェットはほとんど我々の視線と一致することを示唆した。内向きジェットにはおよそ 9.6c もの超光速運動が観測された。M87の内向きジェットには、 6c もの超光速運動が見られる。 これを "narrow-angle" モデルにより説明するためには、ジェットは我々の視線方向と 19°以内に納まらなければならない。 しかし、ジェットは実際には視線と 43°の角を成すことが観測事実から示唆された。同じ科学者グループは後にこの発見を修正し、塊としての超光速運動にジェットが埋め込まれているという説を支持している。これらの問題に対して、内向きのジェットにおいてタービュランスもしくは "wide cones" が存在するという説が唱えられており、これを裏づけるいくつかの証拠も存在する。