Den 35 år gamle finnen var en gratis agent etter å ha blitt løslatt av Audi-eide Sauber på slutten av denne sesongen etter tre år med det sveitsiske laget.
Bottas kjørte for Mercedes fra 2017-21, og vant 10 løp og tok 20 pole positioner. Han vil tjene som back-up for racerførerne George Russell og nybegynneren Andrea Kimi Antonelli.
Les på Sporten: Brann og Molde har ringt samme trener
Bottas sa: «Å returnere hjem til Mercedes-familien som tredje sjåfør for 2025 er det neste, og jeg kunne ikke vært mer fornøyd.
«Til tross for utfordringene de siste årene, vet jeg at jeg fortsatt har så mye mer å bidra med i F1.
«Siden jeg var en fem år gammel gutt som vokste opp i Nastola, Finland, har fokuset mitt vært på å oppnå suksess i motorsportens toppskikt. Jeg har vært heldig som har hatt mange utrolige øyeblikk i løpet av mine 12 år med racing i motorsporten. F1 så langt.
«Når jeg kommer tilbake til stedet der så mange av disse øyeblikkene ble oppnådd, ser jeg frem til å bruke all kunnskapen jeg har fått til å hjelpe laget til å prestere og komme videre mot målet vårt om å kjempe om verdensmesterskap.»
Mercedes-teamets rektor Toto Wolff sa: «Det er flott å ha [Bottas] tilbake. Hans innflytelse og bidrag i de fem årene han var med oss tidligere som racerfører var enorm.
«Sammen med å vinne flere grand prix-seire, spilte han en viktig rolle i fem av mesterskapsseirene våre.
«Hans tekniske tilbakemeldinger og innspill var viktige for å hjelpe oss til disse suksessene og presse teamet fremover. Ikke bare det, men han var også en fantastisk kollega og teammedlem.
«Hans tørre sans for humor og personlighet gjorde ham til en fast favoritt blant alle i Brackley og Brixworth [Mercedes’ chassis og motorhovedkvarter].
«I hans rolle som reservesjåfør vil alle disse egenskapene være utrolig viktige for å hjelpe oss med å konkurrere om verdensmesterskap og støtte både George og Kimi på banen.»
Bottas sa på sesongens siste løp at overgangen hans til Sauber hadde vært «en feil».
Det sveitsiske teamet er kjøpt av Audi som grunnlag for deres offisielle inngang til F1 i 2026. De foretrakk den tyske veteranen Nico Hulkenberg og den brasilianske nybegynneren Gabriel Bortoleto, som vant Formel 2-tittelen i år, fremfor Bottas.
Les: Hva skjer med de tre største stjernene i Liverpool?
