Hamilton y Rosberg mantuvieron la posición de salida en la primera curva, mientras que por detrás Max Verstappen hizo un trompo con su Red Bull.
Verstappen luego estiró su entrada a boxes y subió hasta la segunda posición por delante de Rosberg, del dúo de Ferrari y de su compañero de equipo Daniel Ricciardo.
Inicialmente Rosberg se mostró conservador pero más tarde fue avisado de que pasara a Verstappen y logró hacerlo con un movimiento arriesgado para sumar otro doblete para Mercedes detrás de Hamilton.
Vettel se deshizo rápidamente de Ricciardo antes de encontrar una manera de pasar a Verstappen, y entonces consiguió meterse en la zona de DRS del coche de Rosberg, mientras Mercedes indicaba a Hamilton que acelerara su ritmo.
Sin embargo, la táctica de Hamilton no fue suficiente para cambiar el resultado del campeonato, y cruzó la bandera a cuadros con un margen de poco más de un segundo y medio.
Hamilton registró su décima victoria de la temporada, mientras Rosberg hizo lo suficiente para seguir los pasos de su padre Keke, quien ganó el título mundial con Williams en 1982.
Cuando las luces se apagaron en el Yas Marina Circuit, tanto Hamilton como Rosberg salieron limpiamente, y llegaron a la curva 1 por delante de los Red Bull y los Ferrari.
Verstappen inicó el capítulo de incidentes al salir de la primera curva yendo por el interior, y se fue largo y contactó ligeramente con el Force India de Nico Hülkenberg, provocando que el piloto holandés sufriera un trompo.
Hamilton consiguió una ventaja de un segundo en los primeros compases, manteniendo el margen para estar a salvo del uso del DRS, mientras Rosberg mantenía a Kimi Räikkönen, Ricciardo y a Vettel con un margen de un segundo.
Mientras tanto, Verstappen empezó a recuperar posiciones después del trompo inicial, y cuando los cinco primeros entraron a boxes, se situó segundo, por detrás de Hamilton.
Hamilton y Rosberg, cambiaron neumáticos al mismo momento y coincidiendo con Räikkönen y Vettel respectivamente.
Rosberg estuvo en tercera posición las siguientes vueltas, antes de que su ingeniero le pidiera encarecidamente que adelantara a Verstappen, con la ayuda del DRS en la trayectoria hasta la curva 8, que casi termina en desastre.
Rosberg, que no pudo pasar en su primer intento, recortó distancias antes del siguiente vértice, el de la curva 9, y se puso por delante, antes de defenderse de Verstappen en la recta.
Rosberg fue el piloto más rápido del circuito con aire limpio, y después de sus segundas paradas, se puso detrás de Hamilton, mientras Vettel, que tenía que entrar en boxes, se ponía líder.
Mercedes pidió a Hamilton que aumentara el ritmo varias veces, ya que Rosberg y Vettel que había entrado en boxes para poner los Súper Blandos, en contraposición a los Blandos que llevaba la mayoría, se acercaban.
Hamilton respondió a los muchos mensajes por radio comentando: "Estoy perdiendo el Campeonato del Mundo, así que ahora mismo no me importa si voy a ganar o perder esta carrera."
Hamilton necesitaba que tanto Vettel como Verstappen adelantaran a Rosberg para hacerse con el título, pero los cuatro primeros puestos se quedaron intactos hasta la bandera a cuadros.
Hamilton terminó por delante de Rosberg con un segundo y medio de ventaja, y Vettel a una distancia parecida por detrás, seguido de Verstappen y Ricciardo.
Hülkenberg y Sergio Pérez terminaron en séptima y octava posición, mientras Force India se aseguró la cuarta posición en la clasificación mientras el Williams de Felipe Massa fue noveno en su Gran Premio de despedida.
Fernando Alonso terminó décimo con el McLaren-Honda sumando otro punto al equipo, mientras los pilotos de Haas Romain Grosjean y Esteban Gutiérrez fueron los últimos pilotos que no fueron doblados.
Los pilotos de Manor Esteban Ocon y Pascal Wehrlein se chocaron aunque pudieron terminar 13º y 14º respectivamente, seguidos de los Sauber de Marcus Ericsson y Felipe Nasr, y el Renault de Jolyon Palmer.
Carlos Sainz sufrió el enviste de Palmer que le obligó a abandonar, después de que su compañero de equipo en Toro Rosso Daniil Kvyat tuvo que retirarse por problemas mecánicos.
Jenson Button se tuvo que retirar en la que podría ser su despedida del deporte, después de pasar por encima de un piano disuasorio que causó un fallo en la dirección y recibió una gran ovación en su regreso a boxes.
Valtteri Bottas y Kevin Magnussen se retiraron en los primeros compases, Magnussen tras un choque en la primera curva, y Bottas cuando en Williams detectaron un problema en los datos.
RESULTADOS