Al final de las vacaciones de verano antes del Gran Premio de Bélgica, se confirmó que Bottas volvería a pilotar para Mercedes en 2020, después de que el equipo decidiera no promocionar al piloto de reserva Esteban Ocon. Bottas obtuvo su primera victoria en trece carreras en el Gran Premio de Japón. En México, se estrelló fuertemente al final de la última sesión de clasificación, antes de terminar la carrera en el tercer lugar. Bottas obtuvo su séptima victoria en su carrera en la siguiente carrera en los Estados Unidos. A pesar de su victoria, esta carrera vio el final de las esperanzas de campeonato de 2019 de Bottas, ya que su compañero de equipo Hamilton terminó segundo para asegurarse el título del Campeonato Mundial de Pilotos. Bottas sufrió un fallo de motor en Brasil que lo llevó a su segundo retiro de la temporada, y terminó la temporada con un cuarto lugar en Abu Dhabi.
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