Nyckeln till segern kom på det 25:e varvet då ledande finländaren Bottas helt enkelt körde lite åt sidan och släppte förbi sin Mercedeskollega, nästan demonstrativt.
Bottas startade från pole position och hade fram till dess segern inom räckhåll.
Manövern föreföll vara omstridd även internt och en irriterad Bottas fick lugnas ner i radiokommunikationen som kunde höras i tv-sändningen. Efteråt verkade finländaren hålla tillbaka sina känslor.
– Det var en svår dag. Ett bra resultat för oss som stall, men för mig personligen... var det ett svårt lopp, sade en sammanbiten Valtteri Bottas i Viasats sändning efter loppet.
Stallordern lär bli ett samtalsämne i formel 1-kretsar de närmaste dagarna, även om det inte är ovanligt i bilsportsammanhang.
Lewis Hamilton försökte tona ner händelsen efteråt.
– Valtteri gjorde ett bra jobb hela helgen och var en riktig gentleman som släppte förbi mig, men han kämpar inte om VM-titeln som jag gör, sade Hamilton vars firande efter segern var dämpat.
Lewis Hamilton har nu 50 poängs försprång till Sebastian Vettel med fem lopp kvar av formel 1-VM. Vettel kom trea i Sotji.
Marcus Ericsson hade förhoppningar om ett bra race efter ett starkt kval, men slutade på 13:e plats, i det första loppet sedan svensken fått besked om att han petas av sitt stall Sauber till nästa säsong.
– Det är frustrerande. Jag hade mycket fart, men det är svårt att köra om här och tyvärr fastnade jag bakom andra bilar hela tävlingen, sade Ericsson till Viasat.
Ericssons stallkamrat Charles Leclerc gjorde ett starkt lopp och kom sjua.