Seine Karriere begann aber erst richtig 1987/1988 bei Benetton. Boutsen wurde ein beständiger Punktesammler, 1988 belegte er mit fünf dritten Plätzen den vierten Rang in der WM. 1989 heuerte Frank Williams ihn an, dessen Team in diesem Jahr mit Renault-Motoren ausgerüstet wurde. Diese Kombination erwies sich als sehr konkurrenzfähig und Thierry Boutsen konnte die beiden Regenschlachten in Kanada und Australien gewinnen und wurde Gesamtfünfter. 1990 fuhr er beim Großen Preis von Ungarn sein wohl bestes Rennen, das er trotz des mörderischen Drucks von Ayrton Senna und einer Reihe anderer Piloten gewann. Doch Ende 1990 musste er Williams verlassen, da Nigel Mansell zurück ins Team geholt wurde und andererseits Riccardo Patrese im Team blieb.