Na konci letnej prestávky pred Veľkou cenou Belgicka bol Bottas potvrdený, že bude v roku 2020 opäť jazdiť za Mercedes, po tom, čo sa tím rozhodol nepredviesť rezervného jazdca Estebana Ocon. Bottas získal svoje prvé víťazstvo v trinástich pretekoch na japonskej Grand Prix
- Áno. V Mexiku sa ťažko zrútil na konci poslednej kvalifikácie, kým nakoniec nedokončil preteky na 3. mieste. Bottas získal svoje siedme víťazstvo v kariére v nasledujúcom preteku v Spojených štátoch. Napriek víťazstvu tento závod znamenal koniec nádeje Bottasa na majstrovstvo v roku 2019, keď jeho spoluhráč Hamilton skončil na druhom mieste a získal titul majstra sveta. Bottas utrpel poruchy motora v Brazílii, čo viedlo k jeho druhému odchodu do dôchodku v sezóne, a skončil sezónu na 4. mieste v Abu Dhabi.