Williams (2013-2016)
En la temporada 2012 del Mundial de Fórmula 1 es anunciado nuevamente como probador de Williams, sin competir en otra categoría. Debuta en los entrenamientos libres del Gran Premio de Malasia al volante del Williams FW34. Queda 11.º, por delante de Pastor Maldonado; y también participa en los libres de otros 14 GGPP siguientes, acumulando experiencia para intentar dar el salto a piloto titular.
El 28 de noviembre de 2012, Williams confirmó oficialmente que Bottas sería piloto titular en 2013 en reemplazo del brasileño Bruno Senna. Sin embargo, tuvo un año difícil debido al bajo rendimiento del FW35, con el que su mayor logro al comienzo fue terminar 11.º en Sepang. Más tarde dio la sorpresa al clasificar en una excelente 3.ª plaza en Montreal, pero en carrera no pudo aguantar el ritmo y finalizó 14.º. Finalmente, logra sus primeros puntos al terminar 8.º en Austin tras salir desde la 9.ª plaza, lo que le permitió finalizar el campeonato por delante de su compañero de equipo Pastor Maldonado.
El 11 de noviembre de 2013, se anuncia su continuidad en la escudería británica para 2014, teniendo a Felipe Massa como nuevo compañero de equipo. Comenzó puntuando en las 5 primeras carreras de forma consecutiva, aunque algunos errores propios y del equipo le privaron de lograr mejores registros. Logró tres podios consecutivos en el Gran Premio de Austria, en Gran Bretaña y Alemania. En este último fue cuando realmente se empezó a elogiar el trabajo que estaba realizando Bottas, ya que consiguió finalizar segundo al defenderse ante el rapidísimo Mercedes de Lewis Hamilton, que acabó justo detrás de él. Luego resultó tercero en Bélgica, Rusia y Abu Dabi, así como cuarto en Italia. El finlandés terminó cuarto en la clasificación general, por delante de los campeones mundiales Fernando Alonso y Kimi Räikkönen de Ferrari, Sebastian Vettel de Red Bull y Jenson Button de McLaren, entre otros pilotos. En el transcurso del campeonato había sido renovado para 2015.
Al comienzo de 2015, un problema de espalda le privó de tomar la salida en el GP de Australia, pero luego no bajó de la 6.ª posición en las 4 carreras siguientes. Obtuvo su primer podio del año en Canadá, donde fue 3.º. El 3 de septiembre de 2015, vuelve a ser confirmado en Williams para el año próximo. El finlandés conseguiría otro podio en el retorno del Gran Premio de México, cerrando el año en quinta posición con 136 puntos .
Para 2016, el rendimiento del coche no era de la talla o superior a sus antecesores y tanto Valtteri como Felipe Massa, estuvieron muy lejos de los puestos de punta. El finés conseguiría el único podio del año para Williams en Canadá, aprovechando los incidentes que ocurrieron, tales como el de Nico Rosberg con Lewis Hamilton en la primera curva, que hizo perder posiciones al piloto alemán, el abandono de su compañero por problemas en el motor, etc.
Mercedes (2017-2021)
Tras la inesperada retirada de Nico Rosberg en la escudería Mercedes AMG, Bottas fue confirmado como piloto titular del equipo para la temporada 2017, teniendo a Lewis Hamilton como compañero. Su primera victoria fue en el GP de Rusia, y posteriormente también ganó en el GP de Austria y el GP de Abu Dabi. Con 13 podios en 20 carreras, el finlandés culminó tercero en el campeonato, por detrás de Hamilton y Vettel.
En 2018, Bottas renovó con Mercedes por un año. Esa temporada no logró ninguna victoria y terminó en el quinto puesto del campeonato. Hamilton fue el campeón, seguido de Sebastian Vettel, Kimi Räikkönen, Max Verstappen y el propio Bottas. Sus oportunidades más claras de victoria estuvieron en el Gran Premio de Azerbaiyán, en el cual era líder hasta que tuvo una pinchadura a falta de unas pocas vueltas, y en el Gran Premio de Rusia, donde debió ceder la victoria a su compañero por órdenes del equipo. Logró el récord de mayor número de segundos puestos sin haber ganado en una temporada: 7.
El equipo le renovó por un año más, y en la primera carrera de la temporada, el GP de Australia, el finlandés volvió a la victoria. Clasificó segundo detrás de Hamilton, pero tomó la punta de la carrera en la primera curva y ganó liderando casi la totalidad de las vueltas. El equipo Mercedes ganó las ocho primeras carreras de la temporada. Seis victorias fueron para Hamilton y dos para Bottas, quien ganó por segunda vez en el GP de Azerbaiyán. En esta carrera, largó desde la pole position y triunfó sobre Hamilton. En la siguiente carrera fue segundo, siendo el quinto 1-2 consecutivo de Mercedes. El resultado de doblete para el equipo se repitió otras cuatro veces. El finlandés volvió a la victoria en dos ocasiones más a fin de año: Japón y Estados Unidos.
Valtteri Bottas terminó la temporada 2019 en el segundo lugar del campeonato con 326 puntos, la temporada más exitosa de su carrera hasta la fecha. Logró cuatro victorias, 15 podios, cinco poles y tres vueltas rápidas. Mientras que Lewis Hamilton logró 11 victorias y sumó 413 puntos.
En 2020 compitió en 17 carreras y obtuvo 2 victorias, un total de 223 puntos terminando de nuevo la temporada en segundo lugar.
En 2021 se subió varias veces al podio, una de ellas tras ganar una carrera en Estambul.
Alfa Romeo (2022 – Actual)
Tras estar cinco temporadas con Mercedes, Bottas es fichado por Alfa Romeo Racing para disputar la temporada 2022.