21. syyskuuta 2000 Williams ilmoitti Montoyan siirtyvän kilpakuljettajaksi kaudelle 2001. Formula 1 -sarjassa Montoya debytoi kauden Australian GP:ssä. Hän ajoi maaliin ensimmäisellä kaudellaan vain kuudesti, mutta niistä kolme kertaa hän oli toinen ja Italian GP:ssä hän juhli jo ensimmäistä voittoaan. Brasilian GP:ssä hänen mahdollisuutensa ensimmäiseen voittoon menivät osuttuaan kierroksella ohitetun Jos Verstappenin kanssa. Montoya saavutti kauden aikana 31 pistettä sijoittuen MM-sarjan kuudenneksi.