Lewis Hamilton a été le plus rapide de la journée sur le circuit olympique de Sochi. Kevin Magnussen termine deuxième, libérant un peu les avants postes de l’omniprésence des Mercedes. Fernando Alonso est lui troisième dans cette deuxième séance russe.
Gutiérrez fut le premier en piste cet après-midi pour la seconde séance d’essais libres. Après avoir été tenu à l’écart de la première séance, au profit de Sergey Sirotkin, on imagine bien que le Mexicain était pressé de reprendre la piste. Tout comme dans la séance de ce matin, Jenson Button s’est montré dominateur en enregistrant le meilleur temps de la semaine dès les premiers instants.
Après un quart d’heure, Rosberg signait à son tour le meilleur temps alors qu’Hamilton accusait des problèmes de freins. Grosjean rencontrait lui aussi de nouveaux problèmes sur son moteur. Kvyat et Magnussen ont eu aussi du passer par des problèmes de freins alors qu’Hamilton perdait la première place à cause d’une erreur au profit de Nico Rosberg. Tout semblait ne se jouer qu’entre les deux pilotes Mercedes.
A la 30e minute, Rosberg menait suivi d’Hamilton, Button, Vergne et Alonso. A partir de là, le moment était venu pour les pilotes de chausser les pneux tendres afin de se préparer aux conditions de qualification de samedi.
Hulkenberg fut le premier à en démontrer la compétitivité en atteignant la 2e place, alors que Raikkonen se hissait à la 5e place. Button a amélioré de 3 dixièmes par rapport à Rosberg. Ce dernier a quant lui réussi à gagner un dixième sur le temps du britannique. Avec des pilotes tirant le maximum de leurs monoplaces, il fallait s’attendre à des erreurs. Vettel et Sutil se sont ainsi sortis de piste. Magnussen s’est lui octroyé la 2e place, prouvant une nouvelle fois que les McLaren étaient en bonne forme en Russie et qu’elles sont les seules monoplaces à pouvoir tenir tête aux Mercedes.
Cinq minutes seulement après que Button et Rosberg, décidément très rapides, aient signé le meilleur temps, Magnussen s’est emparé du meilleur temps, confirmant que les conditions sur la piste s’amélioraient. Hamilton lui a rapidement emboîté le pas en améliorant son temps de 6 dixièmes. Il a ainsi été le premier à franchir la barre d’1min40sec. L’hégémonie du moteur Mercedes a été total avec les six premiers de la classification équipés.
Tout porte à croire que la séance de qualification sera donc à nouveau un mano a mano entre les deux pilotes Mercedes. Devraient suivre, dans cet ordre, les McLaren, Williams, Toro Rosso, Red Bull, Ferrari, Force India, Lotus, Sauber, Caterham et Marussia.
Dans les 20 dernières minutes de la séance, les pilotes ont effectué des simulations de course. A 8 minutes de la fin, Ricciardo a heurté la barrière au virage 12, provocant le déploiement du drapeau rouge. Celui-ci n’a finalement laissé que 3 minutes au reste des pilotes pour améliorer leur temps et effectuer leurs derniers réglages, tous les pilotes sont sortis.
Résultats :
| Pos. | Car | Driver | Team | Laps | Time | Gap | |
| 1 | 44 | Lewis Hamilton | GBR | Mercedes | 27 | 1:39,630 | |
| 2 | 20 | Kevin Magnussen | DAN | McLaren – Mercedes | 32 | 1:40,494 | + 0,864 |
| 3 | 14 | Fernando Alonso | SPA | Ferrari | 32 | 1:40,504 | + 0,874 |
| 4 | 6 | Nico Rosberg | GER | Mercedes | 30 | 1:40,542 | + 0,912 |
| 5 | 77 | Valtteri Bottas | FIN | Williams – Mercedes | 33 | 1:40,573 | + 0,943 |
| 6 | 22 | Jenson Button | GBR | McLaren – Mercedes | 32 | 1:40,718 | + 1,088 |
| 7 | 19 | Felipe Massa | BRA | Williams – Mercedes | 30 | 1:40,731 | + 1,101 |
| 8 | 26 | Daniil Kvyat | RUS | Toro Rosso – Renault | 32 | 1:41,108 | + 1,478 |
| 9 | 1 | Sebastian Vettel | GER | Red Bull Racing – Renault | 30 | 1:41,396 | + 1,766 |
| 10 | 25 | Jean-Eric Vergne | FRA | Toro Rosso – Renault | 33 | 1:41,531 | + 1,901 |
| 11 | 7 | Kimi Räikkönen | FIN | Ferrari | 24 | 1:41,630 | + 2,000 |
| 12 | 27 | Nico Hülkenberg | GER | Force India – Mercedes | 27 | 1:41,677 | + 2,047 |
| 13 | 3 | Daniel Ricciardo | AUS | Red Bull Racing – Renault | 25 | 1:42,061 | + 2,431 |
| 14 | 11 | Sergio Pérez | MEX | Force India – Mercedes | 29 | 1:42,090 | + 2,460 |
| 15 | 99 | Adrian Sutil | GER | Sauber – Ferrari | 31 | 1:42,233 | + 2,603 |
| 16 | 8 | Romain Grosjean | FRA | Lotus – Renault | 30 | 1:42,892 | + 3,262 |
| 17 | 13 | Pastor Maldonado | VEN | Lotus – Renault | 33 | 1:42,905 | + 3,275 |
| 18 | 21 | Esteban Gutiérrez | MEX | Sauber – Ferrari | 33 | 1:43,055 | + 3,425 |
| 19 | 9 | Marcus Ericsson | SWE | Caterham – Renault | 22 | 1:44,135 | + 4,505 |
| 20 | 4 | Max Chilton | GBR | Marussia – Ferrari | 29 | 1:44,530 | + 4,900 |
| 21 | 10 | Kamui Kobayashi | JAP | Caterham – Renault | 27 | 1:44,952 | + 5,322 |