Una stupenda gara viene vinta meritatamente da Valtteri Bottas. Primo successo in carriera, oltre che primo acuto alla guida della Mercedes per il pilota finlandese, il quale porta ai massimi livelli il proprio feeling con il circuito di Sochi vincendo il Gran Premio di Russia. Seconda posizione per un Sebastian Vettel che non è riuscito a mantenere la vetta della classifica dopo la splendida pole di ieri, ma riesce comunque ad allungare in classifica mondiale per via del quarto posto di un pessimo Lewis Hamilton. Il vice campione iridato è stato staccato anche da Kimi Raikkonen, il quale dopo aver completato la prima straordinaria fila in qualifica completa anche un bellissimo podio per la Ferrari, la quale conferma grande competitività.
Si parte in ventuno, perchè la McLaren di Alonso si pianta prima dell'ultima curva facendo tra l'altro abortire lo start, rinviato di un giro. Alla partenza Bottas usa tutta la potenza della Mercedes e sopravanza le Ferrari, con Raikkonen che si piazza dietro a Vettel ma mantiene la posizione nei confronti di Hamilton, mentre Verstappen riesce a mettersi in scia al vice-campione del mondo. Nel frattempo, un gran botto nelle retrovie tra Palmer e Grosjean costringe la direzione gara a mandare dentro la safety car. Dopo tre giri dietro alla vettura di sicurezza si riparte con il finlandese della Mercedes che mantiene la vetta, seguito a ruota da tutti gli altri senza possibilità di vedere attacchi. I problemi Red Bull tornano a palesarsi quando Ricciardo è costretto al ritiro durante il primo giro (freni ko). Il passo di Vettel inizia a essere più costante, Bottas non va oltre i due secondi e mezzo di vantaggio, mentre Hamilton non riesce ad avvicinarsi a Raikkonen, lamentando problemi di potenza. Ritmo ancora simile per i tre davanti mentre ci si avvicina alla sosta, con Lewis che invece è costretto a gestire la situazione di una macchina che non è al massimo e perde pesantemente terreno intorno al 15° giro.
La situazione delle gomme condiziona in parte il ritmo delle due Ferrari, mentre Bottas rimane costante e flirta con i sei secondi di vantaggio, mentre continua ad oscillare il ritmo di Hamilton che non riesce ad avvicinarsi più di tanto al podio. Inizia dalle vetture nelle retrovie il valzer dei pit-stop, poi Vettel sembra poter alzare il ritmo al giro di boa di metà gara e riduce il gap giro dopo giro. La Ferrari del tedesco vola, il leader della corsa prende un po' di traffico e il rendimento del suo principale inseguitore è a dir poco indiavolato, costrigendo la Mercedes a richiamare Valtteri ai box: è il 27° giro. È Raikkonen ad entrare in pit-lane un paio di tornate dopo, seguito poco dopo da un Hamilton che intanto stava continuando a girare in maniera lenta. Kimi sfrutta la gomma super-soft appena montata molto meglio del suo connazionale sulla freccia d'argento, il quale non riesce a guadagnare più di tanto su un Vettel capace di gestire in maniera magistrale le ultra-soft montate ieri in qualifica. Bottas trova ancora traffico, il tedesco addirittura guadagna e va sopra i 20 secondi di vantaggio, prima di entrare ai box al 34° giro.
Il distacco si aggira intorno ai quattro secondi con gomma super-soft decisamente più fresca per Seb e con diciotto giri tutti da vivere. Un paio di tornate per esaruire i doppiaggi, e poi per la Rossa guidata dal tedesco parte ufficialmente la caccia alla vittoria. Nel frattempo resta nell'anonimato Verstappen in quinta posizione, mentre lo stint di Hulkenberg con la ultra-soft della partenza supera addirittura i quaranta giri, con Massa che subito dopo il pit stop del tedesco della Renault si riprende la sesta posizione, davanti alle sempre ottime Force India di Perez e di Ocon; a chiudere la zona punti ci pensa Carlos Sainz, il quale porta sempre in Top Ten la sua Toro Rosso quando riesce ad arrivare al traguardo. Un bloccaggio pesante manda il leader ad un passo dal muro, facendo avvicinare nettamente il suo principale inseguitore, che va sotto i tre secondi di ritardo a 13 giri dalla fine. Vettel prova a sentire l'odore della preda e recupera gradualmente decimo dopo decimo, poi sotto la soglia degli ultimi dieci giri Seb e Bottas vanno a contatto. Poi è molto abile il finnico ad aggirare al meglio l'insidioso doppiaggio di Sainz, il ferrarista torna a rosicchiare ma non riesce ad entrare in zona DRS per tentare l'attacco. Il tedesco stampa giri veloci a raffica, l'ex Williams risponde da campione andando avanti di passo, poi doppiaggi anche negli ultimi chilometri e Seb ci prova, ma Massa combina il papocchio e di fatto consegna la vittoria - meritatissima - all'ex compagno di squadra.