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 81e 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 et termine vice-champion du monde pour une seconde fois consécutive. Le 6 septembre 2021, l'écurie Alfa Romeo annonce qu'elle engage Valtteri Bottas à partir de la saison 2022, pour « plusieurs années ». Il a disputé cinq saisons aux côtés de Lewis Hamilton au sein de l'équipe huit fois championne du monde des constructeurs, contribuant depuis son arrivée à l'obtention de cinq titres, remportant dix victoires, obtenant 58 podiums, réalisant 20 pole positions en atteignant 100 % de fois la troisième phase des qualifications en 101 courses.