Após dois anos de sucesso na
CART, Villeneuve mudou-se para
Fórmula 1 a fim de pilotar o carro da equipe
WilliamsF1, ao lado de
Damon Hill. Na temporada de 1996, Hill venceu o título, entretanto Villeneuve vencendo quatro corridas e conseguiu levar a luta para até o
Grande Prêmio do Japão de 1996, onde o canadense abandonou a prova e Hill venceu o campeonato. Villeneuve, no entanto, sagrou-se campeão da temporada seguinte, desta vez desafiando
Michael Schumacher e mais uma vez levando-a para o grande prêmio que seria o final da temporada 1997 -
Grande Prêmio da Europa de 1997, onde Schumacher foi vice depois de colidir com o próprio Villeneuve.
Para a temporada de 1998 da Fórmula 1, equipe de Williams andaria com motores
Mecachrome e Villeneuve mudou-se para a recém-formada equipe
British American Racing na temporada de 1999 da Fórmula 1. Ele ficou lá para as próximas quatro temporadas, mas, na sequência de maus resultados, ele foi substituído pelo antigo campeão britânico de
Fórmula 3 inglesa Takuma Sato. Villeneuve também dirigiu pela
Renault no final de
2004 e a equipe de
Sauber em 2005 e onze corridas de 2006 antes de sofrer uma lesão na
Alemanha. O canadense foi substituído por
Robert Kubica e a BMW e Villeneuve se separaram.