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.