Bottas, de 35 anos, passou cinco temporadas, de 2017 a 2021, na Mercedes, ao lado de Lewis Hamilton, antes de se mudar para a Alfa Romeo, que mais tarde se tornou a Sauber.
Lá teve um viagem de montanha-russa, terminando em 10.º lugar na primeira temporada, mas sem ganhar um único ponto em 2024.
"Estou feliz por poder finalmente responder à pergunta que tenho feito a mim próprio no último mês. Voltar para a família Mercedes como terceiro piloto para 2025 é o próximo passo e eu não poderia estar mais feliz", disse Bottas em um comunicado.
"Quero agradecer ao (chefe de equipa) Toto (Wolff), à equipa em Brackley e a todos na estrela de três pontas por me receberem de volta de braços abertos", continuou.
A Mercedes vai ter George Russell e o estreante italiano Kimi Antonelli, de 18 anos, na grelha do próximo ano, quando Hamilton partir para a Ferrari. Bottas obteve 10 vitórias em Grandes Prémios com a Mercedes e terminou no pódio 58 vezes pela equipa sediada em Brackley.
"O impacto e a contribuição de Valtteri nos cinco anos em que esteve connosco como piloto foram imensos", disse Wolff, que acrescentou que "para além de ter conseguido várias vitórias em Grandes Prémios, desempenhou um papel vital em cinco das nossas vitórias no campeonato".
A Sauber anunciou no mês passado que Bottas e o piloto chinês Zhou Guanyu deixariam a equipa no final da época. A futura equipa de fábrica da Audi em 2026 optou por contratar Nico Hulkenberg e Gabriel Bortoleto como substitutos.