Przygodę z Formułą 1 rozpoczął w sezonie 1996 w stajni Williams. W swoim debiutanckim wyścigu zdobył "pole position" (co wcześniej udało się jedynie Mario Andrettiemu i Carlosowi Reutemannowi) i miejsce na podium (wyciek paliwa na pięć okrążeń przed metą przeszkodził mu w zostaniu drugim, po Giancarlo Baghettim kierowcą, który wygrał w swoim debiucie). Wygrał cztery wyścigi, 11 razy stawał na podium, ukończył sezon na drugiej pozycji z 78 punktami. Te rekordy pobił w sezonie 2007 Lewis Hamilton (12 razy na podium, ukończony sezon z 109 punktami). Ostatecznie uplasował się na drugiej pozycji za swoim partnerem z zespołu, Damonem Hillem i pomógł Williamsowi w zdobyciu tytułu Mistrza Świata Konstruktorów. Po odejściu Hilla do zespołu Arrows, Villeneuve stał się numerem jeden w stajni. W tym sezonie wygrał siedem wyścigów i zdobył tytuł Mistrza Świata Kierowców. Wywalczył 10 "pole position", 8 razy stawał na podium i zdobył 81 punktów. Tytuł zapewnił sobie dopiero w ostatnim wyścigu, pokonując Michaela Schumachera ze stajni Ferrari. W sezonie 1998 nie zdołał wygrać nawet pojedynczego wyścigu, głównie za sprawą słabych silników Mecachrome.