Bottas, de 35 años, pasó cinco temporadas de 2017 a 2021 en Mercedes pilotando junto a Lewis Hamilton antes de pasar a Alfa Romeo, que más tarde se convirtió en Sauber.
Allí tuvo un viaje en montaña rusa, terminando 10º en su primera temporada pero sin ganar un punto en 2024.
"Estoy feliz de responder finalmente a la pregunta que me he planteado durante el último mes. Volver a casa con la familia Mercedes como tercer piloto para 2025 es lo que sigue y no podría estar más contento", dijo Bottas en un comunicado.
"Quiero dar las gracias a (el jefe del equipo) Toto (Wolff), al equipo en Brackley y a todos en la estrella de tres puntas por acogerme de nuevo con los brazos abiertos", ha continuado.
Mercedes contará con George Russell y el debutante italiano de 18 años Kimi Antonelli en su alineación de pilotos el año que viene, ya que Hamilton se marcha a Ferrari.
Bottas consiguió 10 victorias en Grandes Premios con Mercedes y terminó en el podio 58 veces con el equipo con sede en Brackley.
"El impacto y la contribución de Valtteri en los cinco años que estuvo con nosotros como piloto de carreras fue inmenso", dijo Wolff, quien añadió que "además de conseguir múltiples victorias en Grandes Premios, jugó un papel vital en cinco de nuestras victorias en el campeonato".
Sauber anunció el mes pasado que Bottas y el piloto chino Zhou Guanyu dejarían el equipo al final de la temporada.
El futuro equipo de fábrica de Audi en 2026 optó por fichar a Nico Hulkenberg y Gabriel Bortoleto como sus sustitutos.