Bottas a passé cinq saisons, de 2017 à 2021, chez Mercedes, aux côtés de Lewis Hamilton, avant de rejoindre Alfa Romeo, redevenue Sauber.
Bottas a connu les montagnes russes chez Sauber, terminant 10ᵉ lors de sa première saison, mais ne remportant aucun point en 2024.
"Je suis heureux de pouvoir enfin répondre à la question que j'ai posée au cours du mois dernier. Revenir à la maison dans la famille Mercedes en tant que troisième pilote pour 2025 est la prochaine étape et je ne pourrais pas être plus heureux", a déclaré Bottas dans un communiqué.
"Je tiens à remercier (le patron de l'équipe) Toto (Wolff), l'équipe de Brackley et tout le monde à l'étoile à trois branches pour m'avoir accueilli à bras ouverts."
L'année prochaine, Mercedes disposera de George Russell et du débutant italien Kimi Antonelli, âgé de 18 ans, en tant que pilotes, tandis que Hamilton rejoindra Ferrari.
Bottas a remporté 10 Grands Prix avec Mercedes et est monté 58 fois sur le podium avec l'écurie basée à Brackley. "L'impact et la contribution de Valtteri au cours des cinq années qu'il a passées avec nous en tant que pilote de course ont été immenses", a déclaré Wolff.
"En plus d'avoir remporté plusieurs Grands Prix, il a joué un rôle essentiel dans cinq de nos victoires au championnat."