Bottas ganó el La Eurocopa de Fórmula Renault en 2008 y La Copa NEZ de Fórmula Renault del mismo año. De este modo, repitió la hazaña de Filipe Albuquerque, el cual ganó el NEC y la Eurocopa en la misma temporada, en 2006.

Subió a la Fórmula 3 Euroseries para la temporada 2009 y compitió con el vigente campeón ART Grand Prix. A pesar de no ganar una carrera, Bottas estableció dos poles en su camino al tercer puesto en el campeonato, superando a Alexander Sims en la última carrera. En junio de 2009, Bottas ganó el Masters de Fórmula 3, que también consiguió la pole y marcó la vuelta rápida de la carrera. Al ganar el evento de nuevo en 2010, se convirtió en el primer piloto en ganar el título en el Masters F3 por segunda vez.

En 2010 Bottas se conviritió en piloto de pruebas del equipo Williams de F1. En 2011, participaría en la GP3 Series, continuando en la escudería ART. Esa misma temporada gana el campeonato a falta de una carrera por disputarse. En la temporada 2012 del Mundial de Fórmula 1 es anunciado nuevamente como probador de Williams F1 y debuta en los entrenamientos libres del Gran Premio de Malasia al volante del Williams FW34. Queda 11º, por delante de Pastor Maldonado; y también participa en los libres de otros 14 GGPP siguientes, acumulando experiencia para dar el salto a piloto titular.

El 28 de noviembre de 2012, Williams confirma oficialmente que Bottas será piloto titular en 2013 en sustitución del brasileño Bruno Senna. Bottas logró su más alta posición en calificación, en tercera posición, en el Gran Premio de Canadá (circuito Gilles-Villeneuve, Montreal) detrás de Sebastian Vettel (1º) y Lewis Hamilton (2º).

El 11 de noviembre de 2013 Bottas fue confirmado para continuar con Williams en 2014 junto a Felipe Massa. Tuvo un año muy frustrante debido al pésimo rendimiento del FW35, dio la sorpresa al clasificar en una excelente 3ª plaza en Montreal, pero en carrera no pudo aguantar el ritmo y finalizó 14º. Finalmente, logra sus primeros puntos al terminar 8º en Austin tras salir desde la 9ª plaza.

El 11 de noviembre de 2013, se anuncia su continuidad en la escudería británica para 2014, teniendo a Felipe Massa como nuevo compañero de equipo.

Hasta 2016 sigue pilotando en Williams, consiguiendo buenos resultados en 2014 y 2015 consiguiendo varios podios.

Tras la inesperada retirada de Nico Rosberg en la escudería Mercedes AMG, Bottas fue confirmado como piloto titular del equipo para la temporada 2017, teniendo a Lewis Hamilton como compañero, culminó tercero en el campeonato, por detrás de Hamilton y Vettel.

En 2018, Bottas renovó con Mercedes por un año. Logró el récord de mayor número de segundos puestos sin haber ganado en una temporada: 7.

El equipo le renovó por un año más,​ y en la primera carrera de la temporada, el GP de Australia, el finlandés volvió a la victoria. Valtteri Bottas terminó la temporada 2019 en el segundo lugar del campeonato con 326 puntos, la temporada más exitosa de su carrera hasta la fecha. Logró cuatro victorias, 15 podios, cinco poles y tres vueltas rápidas.

En 2020 compitió en 17 carreras y obtuvo 2 victorias, un total de 223 puntos terminando de nuevo la temporada en segundo lugar.

En 2021 se subió varias veces al podio, una de ellas tras ganar una carrera en Estambul.

Tras estar cinco temporadas con Mercedes, Bottas es fichado por Alfa Romeo Racing para disputar la temporada 2022.