Kaudesta 1997 piti tulla Frentzenin läpimurtokausi, kun hän allekirjoitti sopimuksen Williamsin kanssa. Hän saavuttikin uransa ensimmäisen voiton San Marinon GP:ssa, mutta muuten kausi oli pettymys. Sauber-tallissa vallinneen perheilmapiirin jälkeen Frentzenin elämä Williamsilla oli välillä vaikeaa, etenkin ongelmalliset ystävyyssuhteet Patrick Headin kanssa. Aika-ajoissa Frentzen voitti tallikaverinsa Jacques Villeneuven muutaman kerran, mutta kilpailuissa myös Villeneuve oli usein parempi. Williams menetti Renault'n moottorit seuraavaksi kaudeksi, eikä pystynyt kamppailemaan kärkitalleja vastaan. Frentzenin parhaaksi tulokseksi jäi kolmas sija Australian GP:sta.