Därmed startar finländaren i pole position vid söndagens formel 1-tävling på Silverstone i Storbritannien.
Bottas var 0,063 sekunder före britten Hamilton vid målgången på det avgörande varvet och tog sin första pole position sedan säsongsstarten i Österrike.
"Det känns bra, jag älskar kval, särskilt när det går bra. Jag ville få ut det bästa av mig själv och bilen", säger han enligt BBC.
Tyske Nico Hülkenberg, som ersatt coronasmittade Sergio Pérez i stallet Racing Point, körde i mål som trea.