Le , il s'engage avec l'écurie Williams F1 Team pour la saison 2010 et a pour coéquipier le champion de GP2 en titre Nico Hülkenberg. Barrichello fait un début de saison en demi-teinte malgré trois entrées dans les points en huit courses. À Monaco, il part en tête-à-queue à la suite d'une touchette avec Vitantonio Liuzzi puis percute un mur de pneus, détruisant sa monoplace. Au Grand Prix d'Europe, il termine quatrième, son meilleur résultat de la saison. Cette bonne performance est suivie d'une cinquième place à Silverstone. Il pointe alors au onzième rang du classement des pilotes. Au mois d'août 2010, Rubens Barrichello remplace Nick Heidfeld à la présidence de l'Association des Pilotes de Grand Prix (GPDA). Barrichello termine dixième du championnat du monde avec 47 points contre 22 à son équiper Nico Hülkenberg et, au lendemain du dernier Grand Prix de la saison, est confirmé par son écurie dans son poste de titulaire pour la saison 2011, il fait équipe avec un autre pilote sud-américain, le Vénézuélien Pastor Maldonado.