Na konci letní přestávky před Velkou cenou Belgie bylo potvrzeno, že Bottas bude v roce 2020 znovu jezdit pro Mercedes, poté, co se tým rozhodl nepodpořit rezervního jezdce Estebana Ocon. Bottas získal své první vítězství za třináct závodů na japonské Grand Prix.
- Ne, ne. V Mexiku těžce havaroval na konci závěrečné kvalifikace, než nakonec dokončil závod na 3. místě. Bottas získal své sedmé vítězství v kariéře v následujícím závodě ve Spojených státech. Navzdory jeho vítězství tento závod znamenal konec Bottasových nadějí na mistrovství v roce 2019, protože jeho týmový kolega Hamilton skončil na druhém místě a získal titul mistrovství světa. Bottas utrpěl v Brazílii poruchou motoru, což vedlo k jeho druhému odchodu do důchodu v sezóně, a skončil sezónu na 4. místě v Abu Dhabi.