Confermato alla Williams per il 2021 insieme al canadese Nicholas Latifi, Russell inizia la stagione con un quattordicesimo posto nel Gran Premio del Bahrein, dopo essere scattato dalla quindicesima posizione in griglia. Nel Gran Premio dell'Emilia Romagna Russell è coinvolto in un violento incidente con Valtteri Bottas, mentre lottava per la nona posizione. Nel successivo Gran Premio del Portogallo Russell ottiene l'undicesimo posto in qualifica, miglior piazzamento da lui ottenuto con la Williams, ma in gara la monoposto britannica risulta poco competitiva e Russell chiude solo sedicesimo. Nelle gare in Spagna e a Monaco si deve accontentare di due quattordicesimi posti. Dopo un ritiro in Azerbaigian, nel Gran Premio di Francia Russell taglia il traguardo in dodicesima posizione, miglior risultato stagionale per sé e per la squadra. Nel Gran Premio di Stiria si qualifica 11º, in gara parte decimo grazie la penalità di Yuki Tsunoda, risale fino l'ottava posizione ma per un problema alla monoposto è costretto al ritiro e a rinunciare ai suoi primi punti con la Williams. Nel successivo Gran Premio d'Austria, sempre sul circuito di Spielberg si qualifica nono, segnando il ritorno della Williams in Q3 dal Gran Premio d'Italia 2018; in gara, però, non riesce a rimanere in zona punti, chiudendo undicesimo dopo essere stato superato da Fernando Alonso negli ultimi giri.