Setelah pemutusan kontrak mereka bersama Toyota, Williams mengumumkan bahwa untuk Formula Satu musim 2010 mereka akan kembali ke dalam kemitraan "jangka panjang" dengan pabrikan mesin independen Cosworth, dan akan menggunakan versi terbaru dari mesin CA V8 yang pernah dipakai mobil mereka pada tahun 2006. Williams juga mengumumkan perubahan pembalap untuk musim 2010. Rubens Barrichello bergabung ke tim setelah di musim 2009 ia memperkuat tim Brawn GP, sedangkan juara GP2 Nico Hülkenberg dinaikkan pangkatnya dari kursi test driver. Pengganti Hülkenberg di kursi test driver adalah pembalap Finlandia Valtteri Bottas, yang berada di posisi ketiga klasemen F3 Euroseries 2009. Sampai musim 2010 berakhir, Williams menjadi satu-satunya tim yang mampu meraih angka bersama mesin Cosworth, dengan hasil terbaik finish P4 di Valencia yang diperoleh Rubens Barrichello. Rekan setimnya yaitu Nico Hulkenberg berhasil meraih pole position di Brasil, namun di akhir musim ia akhirnya dipecat oleh tim, sementara posisi Barrichello tetap dipertahankan untuk musim 2011. Awal 2011, Williams kemudian mengontrak Pastor Maldonado asal Venezuela untuk menemani Barrichello, dan dengan kedatangan Maldonado, maka tim Williams akan mengisi duet pembalapnya dengan orang non-Eropa, yang pertama kalinya sejak tahun 1982 ketika saat itu mereka diperkuat Carlos Reutemann dan Alan Jones.