Memanfaatkan strategi pit stop belakangan, pebalap asal Finlandia itu mengungguli rekan satu timnya, Lewis Hamilton, yang finis sebagai runner-up dengan selisih waktu 20,886 detik, demikian Reuters pada Minggu.
Start dari P2, Bottas melesat untuk memimpin balapan menyalip Hamilton, yang start dari pole position.
Hamilton, yang berganti ban kompon medium dari soft tujuh lap lebih awal dari Bottas, harus berjuang melawan tekanan dari pebalap Red Bull Max Verstappen yang finis di podium ketiga.
Verstappen, yang mengawali debut Red Bull bersama mesin Honda, harus kehilangan waktu berharga ketika melebar ke rumput di sisi trek di akhir balapan di saat berusaha mengejar Hamilton.
Pebalap asal Belanda itu finis di tempat ketiga dengan selisih sekitar dua detik dari Hamilton.
Podium tersebut menjadi yang pertama bagi Honda sejak terakhir kali meraih podium di GP Inggris 2008 lewat Rubens Barichello.
Baca juga: Horner: Red Bull masih tertinggal jauh dari Mercedes, Ferrari
Baca juga: Red Bull berbenah untuk tantang Mercedes dan Ferrari di 2019
Sementara Bottas, yang terakhir kali menjuarai balapan F1 di Abu Dhabi pada 2017 itu, meraih tambahan satu poin sebagai pebalap dengan waktu putaran tercepat di balapan: 1 menit 25,580 detik, sebagai dampak aturan baru yang diterapkan F1 tahun ini.
"Aku tidak tahu apa yang baru saja terjadi. Startnya sangat bagus, dan ini tentunya balapan terbaik sepanjang karirku," kata Bottas seperti dikutip Reuters.
"Terasa sangat bagus dan semuanya di bawah kendali. Mobil sangat bagus hari ini jadi sangat bisa dinikmati, aku harus menikmati hari ini... Aku sangat senang dan tidak sabar lagi untuk balapan selanjutnya."
Tim berjuluk Silver Arrow itu benar-benar menujukkan kecepatan mereka untuk meninggalkan para pebalap lainnya.
"Ini akhir pekan yang bagus untuk tim," kata Hamilton. "Valtteri membalap sangat hebat hari ini jadi dia pantas mendapatkannya."
Di kubu Ferrari, Sebastian Vettel hanya mendapati satu-satunya perlawanan dari rekan satu timnya, Charles Leclerc.
Kedua pebalap tim Kuda Jingkrak itu finis di P4 dan P5 dengan margin lebih dari 57 detik dari juara balapan.
Baca juga: Vettel kurang percaya diri usai sesi latihan bebas, kenapa?
Baca juga: Duo pebalap Ferrari Vettel, Leclerc "bebas bertarung" di trek
Di papan tengah, Kevin Magnussen (Haas) finis keenam di atas Nico Hulkenberg (Renault) di P7.
Carlos Sainz menjadi pebalap pertama musim ini yang gagal finis ketika mendapati masalah mesin dan api di buritan mobil McLaren MCL34 di lap ke-11.
Sementara itu, pebalap tuan rumah Daniel Ricciardo gagal menyelesaikan balapan setelah sempat kehilangan sayap depannya di awal balapan kemudian usai melahap 30 lap dia terpaksa mengandangkan mobil Renault R.S. 19-nya ke dalam pit.
Romain Grosjean (Haas) juga terpaksa berhenti di trek karena masalah di ban depan kirinya.
Sebelum start balapan, digelar sesi mengheningkan cipta untuk direktur balap F1 Charlie Whiting yang baru saja meninggal Kamis lalu di Melbourne.
Baca juga: Pertarungan papan tengah Formula 1 2019 diprediksi akan sangat kompetitif
Baca juga: 10 alasan untuk tidak melewatkan balapan F1 2019
Hasil lengkap GP Australia 2019:
1. Valtteri Bottas FIN Mercedes AMG Petronas Motorsport 58 lap
2. Lewis Hamilton GBR Mercedes AMG Petronas Motorsport + 20.886 detik
3. Max Verstappen NED Aston Martin Red Bull Racing Honda + 22.520 detik
4. Sebastian Vettel GER Scuderia Ferrari + 57.109 detik
5. Charles Leclerc MON Scuderia Ferrari + 58.230 detik
6. Kevin Magnussen DEN Rich Energy Haas F1 Team + 87.156 detik
7. Nico Hulkenberg GER Renault F1 Team + 1 lap
8. Kimi Raikkonen ITA Alfa Romeo Racing + 1 lap
9. Lance Stroll CAN SportPesa Racing Point F1 Team + 1 lap
10. Daniil Kvyat RUS Red Bull Toro Rosso Honda + 1 lap
11. Pierre Gasly FRA Aston Martin Red Bull Racing Honda + 1 lap
12. Lando Norris GBR McLaren F1 Team + 1 lap
13. Sergio Perez MEX SportPesa Racing Point F1 Team + 1 lap
14. Alexander Albon THA Red Bull Toro Rosso Honda + 1 lap
15. Antonio Giovinazzi ITA Alfa Romeo Racing + 1 lap
16. George Russell GBR ROKiT Williams Racing + 2 lap
17. Robert Kubica POL ROKiT Williams Racing + 3 lap
Romain Grosjean FRA Rich Energy Haas F1 Team Tidak finis.
Daniel Ricciardo AUS Renault F1 Team Tidak finis.
Carlos Sainz ESP McLaren F1 Team Tidak finis.
Klasemen sementara pebalap usai GP Australia 2019
| 1 | 77 | Valtteri Bottas | Mercedes | 26 |
| 2 | 44 | Lewis Hamilton | Mercedes | 18 |
| 3 | 33 | Max Verstappen | Red Bull Racing Honda | 15 |
| 4 | 5 | Sebastian Vettel | Ferrari | 12 |
| 5 | 16 | Charles Leclerc | Ferrari | 10 |
| 6 | 20 | Kevin Magnussen | Haas Ferrari | 8 |
| 7 | 27 | Nico Hulkenberg | Renault | 6 |
| 8 | 7 | Kimi Räikkönen | Alfa Romeo Racing Ferrari | 4 |
| 9 | 18 | Lance Stroll | Racing Point BWT Mercedes | 2 |
| 10 | 26 | Daniil Kvyat | Scuderia Toro Rosso Honda | 1 |
| 11 | 10 | Pierre Gasly | Red Bull Racing Honda | 0 |
| 12 | 4 | Lando Norris | McLaren Renault | 0 |
| 13 | 11 | Sergio Perez | Racing Point BWT Mercedes | 0 |
| 14 | 23 | Alexander Albon | Scuderia Toro Rosso Honda | 0 |
| 15 | 99 | Antonio Giovinazzi | Alfa Romeo Racing Ferrari | 0 |
| 16 | 63 | George Russell | Williams Mercedes | 0 |
| 17 | 88 | Robert Kubica | Williams Mercedes | 0 |
| NC | 8 | Romain Grosjean | Haas Ferrari | 0 |
| NC | 3 | Daniel Ricciardo | Renault | 0 |
| NC | 55 | Carlos Sainz | McLaren Renault | 0 |
Baca juga: Pecundangi Hamilton, Bottas juarai GP Australia