Den 30-årige Scot, som tävlade för Force India från 2010 till 2013, kommer att vara backup-up för racerförare Felipe Massa och Lance Stroll.
Vice lag rektor Claire Williams sa: "Det är bra för oss att behålla någon av Pauls erfarenhet."
Di Resta kommer att kombinera F1 uppgifter med racing för Mercedes i Tysklands DTM turnerande bil serie.
Han sa att han var "glad" att stanna på Williams och "se fram emot att förstå de nya reglerna" infördes till F1 denna säsong i ett försök att göra bilarna snabbare, mer dramatisk och mer tilltalande för publiken.
Williams nya bil kommer att avslöjas för allmänheten på fredag innan försäsongen tester börjar i Spanien den 27 februari.
Di Restas bästa loppresultat i F1 har varit två fjärde platser i Singapore 2012 och Bahrain 2013. Han var DTM-mästare för Mercedes 2010.
En del av hans ansvar på Williams kommer att innebära att hjälpa brasilianska veteranen Massa, 35, stödja Stroll, en 18-årig kanadensisk rookie som ger ekonomiskt stöd rapporteras vara minst £ 20m till laget.
Massa gick i pension i slutet av förra säsongen men övertalades att komma tillbaka ett sista år efter Mercedes närmade Williams att släppa Valtteri Bottas till dem efter världsmästare Nico Rosbergs pensionering.
Paul di Resta är att stanna som Williams reserv förare för en andra säsong 2017.