Net als menig Finse Formule 1-coureur voor hem, wist Valtteri zichzelf op de radar te zetten door uiterst kalm successen binnen te halen. Het Formule 3-seizoen in 2009 liep uit op een teleurstelling, maar toch wist hij er een gouden randje aan te geven. Dat jaar en het jaar erop won Bottas de Masters of Formula 3 in Zandvoort, waarna Williams hem een plekje aanbood als testcoureur. 

Die samenwerking weerhield Bottas er niet van ook deel te nemen aan andere klassen, waaronder de GP3 series met ART. Dit keer pakte de Fin wel de titel, waarna hij in 2013 bij Williams zijn debuut maakte in de Formule 1.

Naast Pastor Maldonado was de koele Fin overduidelijk sterker en in zijn eerste seizoen eindigde Bottas dan ook voor zijn teamgenoot. Een jaar later werd de Venezolaan aan de kant geschoven voor Felipe Massa en stapelden de successen zich op. Bottas behaalde in 2014 meerdere podiumplaatsen en wist de vierde plaats in het kampioenschap veilig te stellen. 

Ook in de jaren daarna was Williams nog een team om rekening mee te houden. De inmiddels ervaren Bottas en veteraan Felipe Massa waren geduchte tegenstanders in een auto aangedreven door de krachtige Mercedes-motor. Toch was 2016 teleurstellend en werden de eerste barsten in het team van Williams zichtbaar. Bottas werd echter onverwacht een reddingsboei toegeworpen door het Formule 1-team van Mercedes.

Nadat Nico Rosberg de titel in 2016 won, gooide de Duitser vrijwel direct de handdoek in de ring en verliet onverwacht de Formule 1. De samenwerking met Lewis Hamilton had inmiddels meerdere malen een dieptepunt bereikt en nóg een jaar naast de Brit rijden leek Rosberg geen goed idee. Via het management van teambaas Toto Wolff kwam Mercedes zo al snel uit bij Bottas als vervanger.

In het eerste jaar ziet dat er nog goed uit . De Fin wint drie races en eindigt als derde in het kampioenschap, waardoor het erop lijkt dat hij dezelfde kansen krijgt als zijn teamgenoot. Een jaar later wordt duidelijk dat dit niet langer het geval is. Meerdere keren wordt Bottas via de boordradio gemaand om Hamilton voorbij te laten. Bij de Grand Prix van Rusland kost hem dit zelfs de overwinning.

In 2019 lijkt Bottas desondanks herboren. Bottas 2.0 en ‘Fear the Beard’ zijn enkele van de termen die na een dominant optreden in Melbourne rondgaan. Zijn contract bij Mercedes wordt dat jaar verlengd, maar de titelstrijd gaat als een nachtkaars uit. Hamilton verslaat zijn teamgenoot met spelend gemak. Daar komt in 2020 geen verandering in als Hamilton nóg dominanter is en Bottas zelfs bijna verslagen wordt door Max Verstappen.

In 2021 gaat Bottas alweer zijn vijfde jaar in als coureur bij Mercedes. De druk om sterke resultaten neer te zetten is groot, en neemt nog verder toe als blijkt dat Verstappen en Red Bull een serieuze bedreiging vormen in het wereldkampioenschap.

Bottas blijkt niet genoeg in huis te hebben om Mercedes te overtuigen. Ondanks een derde plaats in het kampioenschap stelt hij zijn team op meerdere cruciale momenten teleur, en de knoop wordt in de zomer doorgehakt: Bottas moet in 2022 plaats maken voor Williams-talent George Russell.

Daarmee werd Bottas terugverwezen naar het middenveld. Hij stapte over naar Alfa Romeo, waar hij rookie Guanyu Zhou als teamgenoot kreeg. Het leek misschien een stap terug voor de Fin, maar hij gedijt prima in een omgeving waarin zijn input gewaardeerd wordt en waar hij niet in dienst rijdt van een ander. Hij hielp Alfa Romeo aan de zesde plaats in het constructeursklassement, waarmee het team een enorme stap zette. Vanaf 2024 ging het F1-team door het leven als Stake Sauber, om in 2026 de transformatie te maken naar Audi.

Als onderdeel van de overgang naar Audi kondigde Sauber in 2024 diverse veranderingen aan. Zo vertrok voormalig Andreas Seidl en werden oud-Ferrari-teambaas Mattia Binotto en Jonathan Wheatley, voormalig sportief directeur bij Red Bull Racing, aangekondigd als nieuwe leiders van het team. Ook werd er gekozen voor een geheel nieuwe line-up: Nico Hulkenberg werd als eerste aangekondigd.

Lange tijd leek Bottas de grootste kanshebber voor het tweede zitje, maar Sauber koos voor jong talent naast de ervaring van de Duitser. Gabriel Bortoleto wordt losgelaten door McLaren en voegt zich in 2025 bij Sauber als vaste F1-coureur. Bottas maakt op zijn beurt een terugkeer naar de Mercedes-familie, waarhij als reservecoureur aan de slag gaat.