Depois de já ter sido o melhor no treino da manhã em Barcelona, Bottas repetiu a façanha na tarde, conseguindo como melhor volta um tempo de 1.17,284s, deixando Hamilton (que se queixou bastante do comportamento do seu carro) a apenas 0,049s.
Nas duas posições seguintes ficaram os dois Ferrari, com Charles Leclerc a ser o terceiro, a 0,310s, ao passo que Sebastian Vettel ficou pouco atrás, com uma volta 0,389s mais lenta do que o monegasco.
Muito mais distante ficou Max Verstappen, com o Red Bull, que ficou com a quinta melhor marca na sessão, mas já a 0,751s do melhor registo, enquanto Romain Grosjean (Haas) voltou a mostrar que a equipa americana está em forma na Catalunha com o sexto posto, a 0,869s.
Pierre Gasly, no segundo Red Bull, ficou com a sétima melhor marca, a 0,954s, com Kevin Magnussen (Haas) em oitavo, Carlos Sainz (McLaren) em nono e Daniil Kvyat (Toro Rosso) em décimo.
| 1 | Valtteri Bottas | MERCEDES | 1:17.284 |
| 2 | Lewis Hamilton | MERCEDES | +0.049s |
| 3 | Charles Leclerc | FERRARI | +0.301s |
| 4 | Sebastian Vettel | FERRARI | +0.389s |
| 5 | Max Verstappen | RED BULL RACING HONDA | +0.751s |
| 6 | Romain Grosjean | HAAS FERRARI | +0.869s |
| 7 | Pierre Gasly | RED BULL RACING HONDA | +0.954s |
| 8 | Kevin Magnussen | HAAS FERRARI | +1.071s |
| 9 | Carlos Sainz | MCLAREN RENAULT | +1.374s |
| 10 | Daniil Kvyat | SCUDERIA TORO ROSSO HONDA | +1.438s |
| 11 | Kimi Räikkönen | ALFA ROMEO RACING FERRARI | +1.443s |
| 12 | Alexander Albon | SCUDERIA TORO ROSSO HONDA | +1.495s |
| 13 | Lance Stroll | RACING POINT BWT MERCEDES | +1.555s |
| 14 | Nico Hulkenberg | RENAULT | +1.577s |
| 15 | Daniel Ricciardo | RENAULT | +1.650s |
| 16 | Lando Norris | MCLAREN RENAULT | +1.757s |
| 17 | Antonio Giovinazzi | ALFA ROMEO RACING FERRARI | +2.143s |
| 18 | Sergio Perez | RACING POINT BWT MERCEDES | +2.164s |
| 19 | George Russell | WILLIAMS MERCEDES | +2.907s |
| 20 | Robert Kubica | WILLIAMS MERCEDES | +3.497s |
