Bottas was in het Formule 1-seizoen 2010 reservecoureur voor het Williams F1 Team.[1] Zijn eerste vrije training reed hij tijdens de Grand Prix van Maleisië 2012. Hij reed in totaal vijftien vrijdagtrainingen in 2012, waarbij hij iedere keer het stoeltje van racecoureur Bruno Senna overnam.
Op 28 november 2012 werd bekend, dat Bottas in 2013 de racecoureur zou worden voor het team van Williams. Pastor Maldonado, die al vanaf 2011 bij Williams reed, werd zijn teamgenoot.[2]
In zijn zevende race in Canada zorgde Bottas voor een grote verrassing, door de niet competitieve Williams op de derde plaats te kwalificeren, achter Sebastian Vettel en Lewis Hamilton. In de race kwam hij echter niet uit de verf en eindigde hij slechts als veertiende, op een ronde achterstand van winnaar Vettel.
In de Grand Prix van de Verenigde Staten kwalificeerde Bottas zich opnieuw in de top tien, ditmaal op een negende plaats. Hij kon nu zijn positie wel vasthouden, met een achtste plaats behaalde hij zijn eerste punten in de Formule 1.
In 2014 ging Bottas rijden met startnummer 77. Hij had voor dit nummer gekozen, omdat dit bij zijn naam paste (Val77eri Bo77as).[3] Met Felipe Massa kreeg hij tevens een nieuwe teamgenoot.
Tijdens de Grand Prix van Oostenrijk behaalde Bottas zijn eerste podiumplaats in de Formule 1, na als tweede te zijn gestart achter zijn teamgenoot Felipe Massa. Hij kon lang weerstand bieden tegen de snellere Mercedes van Lewis Hamilton, maar moest hem ten slotte toch voor laten gaan. Bij de volgende race in Groot-Brittannië stond Bottas opnieuw op het podium met een tweede plaats achter Hamilton, terwijl hij de race vanaf plaats veertien had moeten aanvangen. Ook in de Grands Prix van Duitsland, België, Rusland en Abu Dhabi stond hij op het podium. Met 186 punten eindigde hij op de vierde plaats in het kampioenschap.
In 2015 was de Williams minder competitief dan in het voorgaande jaar, maar Bottas wist in de Grands Prix van Canada en Mexico toch twee podiumplaatsen te behalen. In de eindstand werd hij vijfde met 136 punten.
In 2016 was de auto van Williams opnieuw minder competitief dan in het vorige seizoen. Bottas wist alleen in de Grand Prix van Canada op het podium te eindigen. Met 85 punten finishte hij op de achtste plaats in het eindklassement.
In 2017 maakte Bottas de overstap naar het team van Mercedes om regerend wereldkampioen Nico Rosberg, die was gestopt met de autosport, op te volgen.[4] Tijdens de Grand Prix van Bahrein behaalde hij voor het eerst in zijn Formule 1-carrière de poleposition. Hij wist deze niet te verzilveren, maar in de daaropvolgende race in Rusland won hij zijn eerste Formule 1-race.
Bottas werd op 6 juli 2010 de eerste coureur die de Masters of Formula 3 tweemaal won. De zeges kwamen op rij, in 2009 en 2010.[5]
Bottas publiceerde in 2023 zijn eigen kalender. Hierin waren 13 foto's van hem en zijn achterwerk te zien. De kalender werd door hem ''Bottass'' genoemd.
Privé
Bottas had sinds 2010 een relatie met olympisch zwemster Emilia Pikkarainen. Zij waren tussen 2016 en 2019 met elkaar getrouwd.[6]
Sinds februari 2020 heeft Bottas een relatie met Australisch wielrenster Tiffany Cromwell.