Damon Hill zadebiutował w Formule 1 w sezonie 1992, jeżdżąc w zespole Brabham i będąc także kierowcą testowym zespołu Williams. Zakwalifikował się do dwóch wyścigów – Grand Prix Niemiec i Grand Prix Węgier, kończąc je odpowiednio na szesnastym i jedenastym miejscu. Po Grand Prix Węgier zespół został rozwiązany. W 1993 po odejściu Nigela Mansella do serii IndyCar Brytyjczyk został partnerem Alaina Prosta w zespole Williams. Pierwsze podium zdobył już w drugim wyścigu dla zespołu Franka Williamsa – podczas Grand Prix Brazylii, a pierwsze zwycięstwo zdobył podczas Grand Prix Węgier. Łącznie w roku 1993 wygrał trzy wyścigi, kończąc sezon na trzecim miejscu. Po odejściu Francuza w sezonie 1994 Hill został partnerem Ayrtona Senny w zespole. Po tragicznej śmierci trzykrotnego mistrza świata na Imoli Brytyjczyk został liderem zespołu. Wygrał sześć wyścigów, do końca walcząc o tytuł mistrza z Michaelem Schumacherem. Ostatecznie po kolizji z Niemcem podczas Grand Prix Australii zajął drugie miejsce, przegrywając tytuł o punkt. W następnym sezonie było nieco gorzej, lecz Hill zdołał wygrać cztery wyścigi, kończąc ponownie mistrzostwa na drugim miejscu. W sezonie 1996 Brytyjczyk był bezkonkurencyjny, wygrywając osiem wyścigów, stając jeszcze na podium na Hungaroringu i zostając mistrzem świata. 1 września 1996 Damon Hill na konferencji prasowej ogłosił, że w sezonie 1997 nie będzie jeździł dla Williamsa. Niecałe cztery tygodnie później potwierdzono zatrudnienie Hilla w zespole Arrows.