A sessão da tarde, que é usualmente mais representativa, uma vez que a pista está já com mais borracha (ainda para mais depois das chuvadas que tiveram lugar nos últimos dias), foi dominada pela Mercedes, tal como há havia sido de manhã, embora a diferença entre a equipa alemã e as demais pareça ser volumosa.
Bottas, que tem uma tradição de bons resultados em Sochi, garantiu a melhor volta em 1.33,593s, deixando Hamilton a meros 0,044s. Porém, desta feita, o principal rival não foi nenhum dos homens da Red Bull, mas sim Pierre Gasly, da AlphaTauri, que ficou a 0,252s do tempo do finlandês da Mercedes, mas que também não evitou uma ligeira saída de pista já nos instantes finais que levou à quebra da asa dianteira do seu carro.
Num momento caricato, Hamilton não travou a tempo no momento de parar no seu espaço na boxe e acabou por derrubar o seu mecânico com o macaco que estava à frente – o membro da equipa não sofreu qualquer lesão, no entanto.
Lando Norris (McLaren) ficou com a quarta posição, a 0,561s, enquanto Esteban Ocon (Alpine) foi o quinto, a 0,809s. Verstappen terminou a sessão na sexta posição, a mais de um segundo, mas o seu programa deverá ter sido diferente pelo facto de a equipa ter decidido montar um novo motor Honda no seu Red Bull, o que fará com que comece a prova do último lugar da grelha de partida. Carlos Sainz (Ferrari) foi o sétimo mais rápido, à frente de Fernando Alonso (Alpine).
A sessão teve ainda um momento de interrupção devido a um despiste de Antonio Giovinazzi (Alfa Romeo), que bateu fortemente na Curva 8, danificando substancialmente a secção traseira do monolugar. O vencedor do GP de Itália, o australiano Daniel Ricciardo (McLaren), ficou com o 17o lugar depois de a equipa ter trocado o motor do carro – por um já usado, não sendo por isso penalizado – depois de ter detetado um problema com a unidade utilizada na segunda sessão de treinos livres.Na primeira sessão de treinos livres, Bottas liderou com um tempo de 1.34,427s, com Hamilton a ficar logo atrás, a 0,211s, enquanto Verstappen foi o terceiro mais rápido, com um tempo 0,227s mais lento do que o de Bottas. Charles Leclerc foi o quarto mais rápido, contando também com um novo motor no seu Ferrari, que é mais ligeiramente mais potente, em contraponto com o seu colega de equipa, Sainz. Devido a isso, irá partir nos últimos lugares da grelha.
