En 2005, mis en difficulté par son jeune équipier Felipe Massa bien qu'il se classe tout de même quatrième à Saint-Marin, Villeneuve hausse son niveau de performance au fil de la saison, terminant notamment sixième en Belgique. Quatorzième du championnat avec neuf points, deux de moins que Massa, il conserve son volant pour la saison 2006 au sein de l'écurie désormais appelée BMW Sauber après son rachat par le constructeur bavarois. Toutefois, bien que son contrat coure sur plusieurs saisons, Villeneuve doit attendre un certain temps pour que BMW Sauber confirme sa présence, signe d'une confiance limitée de son nouvel employeur.