11 listopada 2013 Williams potwierdził, że w nadchodzącym sezonie będzie kontynuował współpracę z Bottasem, a drugim kierowcą zostanie Felipe Massa, który zastąpi Pastora Maldonado. W sezonie 2014 Bottas sześciokrotnie ukończył wyścig na podium (dwa razy na drugim i cztery razy trzecim miejscu) i raz osiągając najszybsze okrążenie, nie kończąc tylko Grand Prix Monako. Sezon skończył na czwartym miejscu zdobywając 186 punktów.
W rozpoczynającym sezon 2015 Grand Prix Australii z powodu kontuzji pleców musiał wycofać się z wyścigu. W trakcie sezonu zdobywał punkty, stanął dwukrotnie na podium: w Grand Prix Kanady i Grand Prix Meksyku na trzecim miejscu i czterokrotnie nie zdobywał punktów. Ostatecznie zakończył mistrzostwa na piątym miejscu z 136 zdobytymi punktami.