A partire dal 2005 si accordò con il team Sauber, ma la squadra svizzera non fu all'altezza degli anni passati e, inoltre, Villeneuve faticò a rientrare nel ritmo della gara: infatti nella prima metà di stagione fu spesse volte superato in prestazioni dal veloce e giovane compagno di squadra Felipe Massa e, per questo motivo, venne poi messo in discussione dalla critica. Villeneuve però si riprese e riuscì a totalizzare 9 punti complessivi e, nonostante le difficoltà incontrate nella prima metà del campionato, il pilota canadese stette davanti a Massa nella classifica piloti fino all'ultima gara, dove venne sorpassato dal compagno di squadra per soli due punti. Comunque, le prestazioni di Villeneuve nella seconda metà dell'anno risultarono essere equivalenti a quelle del compagno di scuderia destinato alla Ferrari. Il risultato migliore ottenuto durante l'anno fu un quarto posto a Imola. Il contratto di Villeneuve era biennale, quindi continuò nel 2006, quando la squadra prese il nome di BMW Sauber dopo l'acquisto da parte del costruttore BMW.