A pesar de estar toda la noche sin dormir, los mecánicos de Ferrari lograron unos reglajes correctos en los dos monoplazas para la disputa de la tercera sesión de entrenamientos libres y la calificación. Sebastian Vettel marcó un mejor tiempo de 1'34"001, la vuelta más rápida dada en el circuito de Sochi hasta ahora. Su compañero Raikkonen no se situó muy lejos, a sólo 3 décimas. Por detrás de los Ferrari, los dos Mercedes: Valtteri Bottas y Lewis Hamilton.
19 grados en el ambiente y 33 en la pista fue la temperatura con la que empezó la tercera sesión de entrenamientos libres del Gran Premio de Rusia. Muy pronto Kimi Raikkonen colocó un juego de neumáticos ultra blandos nuevos y se colocó en la primera posición, aunque su compañero Sebastian Vettel se la arrebató unos segundos después. Lewis Hamilton, que rodaba en las últimas posiciones, una vez que colocó los Pirelli ultra blandos y tras cuatro vueltas, se hizo con el liderato de la clasificación (1'34"828), dejando por detrás a Sebastian Vettel, Valtteri Bottas y Kimi Raikkonen.
A quince minutos para el final de la sesión, los Ferrari y Mercedes se lanzaron de nuevo a la pista para intentar mejorar los tiempos. Bottas se colocó primero, aunque pronto Raikkonen le arrebató su puesto y un minuto después fue Vettel el que se colocó arriba. Vettel logró incluso dar la vuelta más rápida a la pista de Sochi hasta el momento (1'34"001), mejor que la del viernes (1'34"120) que le permitió ser el primero en la segunda sesión libre. Su compañero Raikkonen se clasificó segundo a 3 décimas, y muy cerca de él Bottas y Hamilton. Completaron el top ten: Felipe Massa, Nico Hulkenberg, Daniel Ricciardo, Carlos Sainz en la novena posición y Kevin Magnussen.
Fernando Alonso y su compañero en la escudería McLaren Stoffel Vandoorne, salieron a la pista con un juego de neumáticos súper blandos, dieron una sola vuelta y regresaron a sus garajes. Pasados 20 minutos, los dos pilotos volvieron a la pista con ese mismo juego, Alonso dio otras seis vueltas y se colocó 14º y Vandoorne 16º. Carlos Sainz (Toro Rosso) llevó una estrategia similar a la de Alonso, utilizando solo el compuesto súper blando: dio 7 vueltas, regresó a su box, y luego volvió a la pista con las mismas gomas para situarse décimo. Sólo los siete primeros clasificados utilizaron el compuesto ultra blando durante los primeros 45 minutos de la sesión, el resto lo hizo más tarde.
Cuando faltaban menos de quince minutos para el final, Alonso volvió a salir y lo hizo con un juego de súper blandos, logró mejorar sus tiempos y se clasificó decimocuarto. Sainz hizo lo mismo que Alonso y con los Pirelli más blandos se colocó más arriba, en la novena posición, a 2,1 segundos de Vettel.
Clasificación 3ª sesión entrenamientos libres:
1 Sebastian Vettel Ferrari 1m34.001s - 17
2 Kimi Raikkonen Ferrari 1m34.338s 0.337s 16
3 Valtteri Bottas Mercedes 1m34.364s 0.363s 20
4 Lewis Hamilton Mercedes 1m34.542s 0.541s 19
5 Max Verstappen Red Bull/Renault 1m35.452s 1.451s 21
6 Felipe Massa Williams/Mercedes 1m35.471s 1.470s 17
7 Nico Hulkenberg Renault 1m35.662s 1.661s 15
8 Daniel Ricciardo Red Bull/Renault 1m35.830s 1.829s 24
9 Carlos Sainz Toro Rosso/Renault 1m36.164s 2.163s 20
10 Kevin Magnussen Haas/Ferrari 1m36.556s 2.555s 19
11 Lance Stroll Williams/Mercedes 1m36.649s 2.648s 19
12 Esteban Ocon Force India/Mercedes 1m36.676s 2.675s 22
13 Daniil Kvyat Toro Rosso/Renault 1m36.846s 2.845s 18
14 Fernando Alonso McLaren/Honda 1m36.869s 2.868s 12
15 Sergio Perez Force India/Mercedes 1m36.962s 2.961s 21
16 Romain Grosjean Haas/Ferrari 1m37.164s 3.163s 20
17 Stoffel Vandoorne McLaren/Honda 1m37.182s 3.181s 15
18 Marcus Ericsson Sauber/Ferrari 1m37.503s 3.502s 21
19 Pascal Wehrlein Sauber/Ferrari 1m37.657s 3.656s 17
20 Jolyon Palmer Renault - - 4