Seria GP3 Na rok 2011 Fin podpisał kontrakt z zespołem Lotus ART, na starty w serii GP3. Początek sezonu nie był udany dla Bottasa i wszystko wskazywało na to, iż nie włączy się do walki o mistrzostwo. Od rundy w Niemczech protegowany Williamsa zanotował jednak znaczący progres, stając na podium w sześciu z ośmiu ostatnich wyścigów, w tym aż czterokrotnie na najwyższym stopniu. Dzięki tak świetnej serii wyszedł na prowadzenie w mistrzostwach. Mistrzostwo przypieczętował zwycięstwem w pierwszym wyścigu, na włoskiej Monzy.
Formuła 1 thumb|Valtteri Bottas podczas Grand Prix Malezji w bolidzie Williams FW34 (2012) Od sezonu 2010 Valtteri Bottas był kierowcą testowym zespołu Williams w Formule 1.
28 listopada 2012 roku, zespół Williams poinformował, że Valtteri Bottas będzie ich kierowcą w sezonie 2013. Podczas Grand Prix Kanady Bottas w deszczowych warunkach ukończył kwalifikacje na trzeciej pozycji, a w wyścigu uplasował się na 14 miejscu. Podczas Grand Prix Stanów Zjednoczonych zajął ósme miejsce. Cztery punkty dały mu siedemnaste miejsce w klasyfikacji generalnej.