Après avoir remporté de nombreux titres en karting en Finlande, Valtteri Bottas commence sa carrière dans le sport automobile en 2007, par le championnat nord-européen de Formule Renault 2.0. Il signe deux victoires et se classe troisième du championnat. Il rempile dans cette catégorie l'année suivante remportant le titre avec douze victoires sur quatorze courses. Cette même année, il participe également à l'Eurocup, et remporte également le titre devant Daniel Ricciardo.

Pour 2009, il s'engage en Formule 3 Euroseries avec ART Grand Prix, et termine troisième du championnat, avec le "titre" de meilleur rookie mais sans remporter de victoire. Valtteri continue en 2010, et finit à nouveau troisième, avec deux victoires. Ses performances lui permettent d'intégrer l'écurie Williams en tant que pilote de réserve. Et en 2011, le voilà en GP3 Series, toujours avec ART Grand Prix.

S'il commence l'année doucement, il finit par remporter quatre succès en fin de saison, et remporte le titre avec seulement sept points d'avance sur son coéquipier James Calado. Pour 2012, Williams le fait rouler quinze fois pendant les essais libres du vendredi à la place de Bruno Senna. Il se montre convaincant : le team évince Senna, en manque de sponsors, et engage donc Valtteri comme pilote titulaire, aux côtés de Maldonado pour 2013.

Au volant d'une FW35 mal née, il semble difficile pour Bottas de se démarquer. Face au Vénézuélien, vainqueur d'une course l'année précédente, il va cependant se montrer à la hauteur, et si les deux se battent pour des places d'honneur hors des points, le Finlandais fait mieux que se défendre. Au Canada, sous la pluie, il signe même une étonnante troisième place en qualifications, avant de rétrograder en course. Il attendra la dix-huitième et avant-dernière course, à Austin, pour finir huitième et ainsi marquer ses premiers points.

Pour 2014, Maldonado n'est pas conservé et est remplacé par l'ancien pilote Ferrari Felipe Massa. Face au Brésilien, vice-champion du monde 2008, Bottas se voit contraint de hausser considérablement son niveau de pilotage s'il ne veut pas se faire dominer. Après un début de saison difficile où il peine à devancer son nouvel équipier, il change de dimension en signant trois podiums consécutifs en Autriche, en Grande-Bretagne et en Allemagne, où il devance même Lewis Hamilton. Sur cette belle lancée, et profitant d'une certaine malchance du Brésilien, il monte encore trois fois sur la plus petite marche du podium et manque de peu la pole position en Russie. Il conclut cette belle année à la quatrième place du classement général, devançant même Sebastian Vettel et Fernando Alonso.

Logiquement conservé par l'écurie de Sir Frank pour 2015, toujours aux côtés de Felipe Massa, les deux pilotes ont pour objectif la deuxième place au classement des constructeurs. Malheureusement, Ferrari semble en avance par rapport à Williams, et Valtteri doit attendre la septième manche pour signer son premier podium. Pendant l'été, des rumeurs surgissent, affirmant qu'il remplacerait Räikkönen chez Ferrari dès 2016. Valtteri monte une deuxième fois sur le podium lors de la manche mexicaine et termine le championnat à la cinquième place.

La Williams FW38 de 2016 n'est malheureusement pas aussi compétitive que les précédentes mais Valtteri parvient néanmoins à marquer régulièrement des (petits) points. Comme en 2015, il monte sur la troisième marche du podium au Grand Prix du Canada. Mais c'est son unique podium de la saison. Il termine le championnat à la huitième place tandis que son coéquipier n'est que onzième avec plus de 30 points de moins.

Quelques jours après avoir remporté le titre 2016, Nico Rosberg annonce à Mercedes qu'il se retire de la compétition. En janvier 2017, c'est Valtteri qui est choisi pour le remplacer. Il termine son premier Grand Prix pour la marque à l'étoile sur la troisième marche du podium et monte une nouvelle fois sur la troisième marche à Bahreïn après s'être élancé pour la première fois en pole position. Sa première victoire intervient lors de la manche suivante en Russie. En Autriche il enregistre sa deuxième pole et sa deuxième victoire. Il enchaîne les bons résultats et réalise le doublé pole/victoire lors du dernier Grand Prix à Abou Dhabi. Valtteri termine le championnat à la troisième place et permet à Mercedes de remporter son quatrième titre consécutif.

En 2018, le finlandais rencontre plus de difficultés. Après deux deuxièmes places, la victoire lui échappe en Azerbaïdjan à trois tours de la fin quand un pneu part en lambeau après avoir roulé sur des débris. Il est de nouveau deuxième en Espagne et au Canada et en Allemagne. A mi-saison, Valtteri est quatrième au championnat. Pour le Grand Prix de Russie, il réalise la pole mais termine une nouvelle fois à la deuxième place mais après avoir laisser passer Lewis Hamilton suite à des consignes de Mercedes. Il termine la saison par une série de quatre cinquième place. C'est aussi sa position au championnat qui se termine sans victoire pour Valtteri.

La saison 2019 commence bien mieux pour le pilote finlandais. Il remporte la première manche et monte sur la deuxième marche du podium à Bahreïn et en Chine. Après sa victoire lors le la quatrième manche en Azerbaïdjan, Valtteri est en tête du championnat du monde devant son coéquipier Lewis Hamilton. Ce dernier va alors enchaîner les victoires et le distancer irrémédiablement au championnat. Valtteri remporte deux Grand Prix en fin de saison, Japon et Etats-Unis et termine vice-champion du monde. Son contrat est logiquement reconduit pour la saison 2020.

Valtteri commence la saison 2020 en force, remportant, comme en 2019, le premier Grand Prix de l'année en Autriche. Cette victoire est suivie de deux podiums, mais alors qu'il se dirige vers la deuxième place lors du Grand Prix de Grande-Bretagne, une crevaison le fait rétrograder hors des points à trois tours de l'arrivé. Il monte de nouveau sur le podium pour les trois Grand Prix suivants. Valtteri remporte le Grand Prix de Russie mais la fin de saison va être moins brillante. En effet, pour les sept dernières courses, il ne monte que deux fois sur la deuxième marche du podium et se fait dominer par George Russell qui a remplacé Hamilton lors du Grand Prix de Sakhir. Cependant, il termine deuxième au championnat des pilotes, derrière Lewis Hamilton sans jamais sembler avoir été un véritable prétendant au titre.

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