El piloto británico superó el tiempo de su compañero al final de la sesión, con Carlos Sainz y Esteban Ocon como los mejores del resto.
Los Mercedes volvieron a dominar aunque esta vez fue Hamilton quien quedó por delante, y con diferencia, sobre su compañero de equipo. Sainz y Ocon confirmaron lo bien que se adaptan McLaren y Renault al circuito de Sochi mientras que Max Verstappen mostró un buen ritmo pero no completó su última simulación de calificación para Red Bull. Daniel Ricciardo terminó 10º después de marcar el segundo y el tercer mejor tiempo en las dos sesiones de entrenamiento del viernes, ya que sufrió un problema con el retrovisor.
Al comienzo de la sesió, Lando Norris estableció el punto de referencia inicial con un 1:36.423 con los neumáticos medios en solitario. Bottas fue el primer piloto de Mercedes en intentar una vuelta, pero tuvo que levantar el pie después de perder el control en la curva 7 al atacar los bordillos, realizó un segundo intento para marcar 1:35.183, estableciendo lo que era entonces el tercer sector más rápido a pesar de que sus neumáticos habían hecho una vuelta extra. Su compañero Lewis Hamilton también sufrió con la curva 7 y tuvo que abortar un intento de vuelta rápida.
Pierre Gasly se puso provisionalmente primero con un 1:34.930 en su primer intento con neumáticos blandos, pero unos momentos después Bottas volvió a lo alto de la tabla con 1:34.289 en su siguiente set de blandos, con Hamilton entonces usando su propio segundo set para ponerse segundo a dos décimas del tiempo del finlandés. Verstappen no estableció una vuelta cronometrada hasta la mitad de la sesión, pero cuando lo hizo dividió a ambos Mercedes, a sólo 0,017 del primer puesto.
Después de una breve pausa sin pilotos en pista, Bottas mejoró su tiempo con otro juego nuevo de blandos y marcó un 1:34.055, pero Hamilton le superó pese a irse algo largo curva 2 al final de la recta principal, con muy buenos segundo y tercer sector para tomar la primera posición con un 1:33.279.
Sainz subió hasta la tercera posición en su última simulación de clasificación, pero la amenaza de Verstappen estaba ahí ya que marcó el mejor tiempo de la sesión en el sector inicial a falta de ocho minutos. Pero el Red Bull perdió tiempo en el segundo sector y abandonó su vuelta, terminando finalmente en sexto lugar por detrás de Ocon y Sergio Pérez.
Sebastián Vettel puso su Ferrari en séptimo lugar, con Lance Stroll y Daniil Kvyat en octavo y noveno lugar. Ricciardo había ido un poco más rápido que Ocon en el primer sector, pero a medida que avanzaba la vuelta tuvo que sujetar su retrovisor derecho desde el cockpit. El piloto australiano perdió tiempo a medida que avanzaba la vuelta y el espejo siguió rebotando y terminó 10º en la clasificación final.
Varios pilotos tuvieron salidas de la pista, como Gasly que finalmente fue undécimo y Romain Grosjean, que giró a la izquierda en la curva 15 después de perder el control por un bordillo, que también pasó factura a Alex Albon aunque con menos consecuencias.
El piloto de Red Bull terminó en el puesto 19 de la clasificación final después de cruzar los bordillos en la curva 2 en su última vuelta rápida, lo cual es una infracción de los límites de la pista que le costó un puesto entre los 10 primeros. Norris quedó último después de abandonar su última vuelta rápida.
