Montoya semble en mesure de rivaliser avec Michael Schumacher en 2003, puisqu'après un début de saison très délicat, sa Williams-BMW équipée de pneus Michelin s'avère être la meilleure machine du plateau lors des Grand Prix sous forte chaleur. Contraint à l'abandon sur casse moteur en Autriche alors qu'il était en tête, il s'impose à Monaco et en Allemagne mais perd des points précieux dans la course au titre lors des Grands Prix d'Europe et de France au cours desquels il est dominé par son coéquipier Ralf Schumacher et doit se contenter de la deuxième place. À Magny-Cours, mécontent de la tournure que prend sa course, il est au cœur d'une violente dispute par radio avec ses ingénieurs ce qui l'amène à entamer immédiatement des pourparlers avec l'écurie McLaren-Mercedes en vue de la saison 2005. La signature du contrat est officialisée peu après la fin du championnat. Lors des dernières courses de la saison, le retour en forme des Ferrari ainsi qu'une pénalité à Indianapolis pour s'être accroché avec Barrichello hypothèquent ses espoirs de titre mondial. Son abandon, sur casse mécanique, alors qu'il est en tête au Japon lui fait perdre toute chance de prendre la deuxième place du général à Kimi Raïkkonen tout en anéantissant les espoirs de titre constructeur de son équipe.