Pod koniec sezonu 1987 Riccardo dostał szansę startu w barwach Williamsa po tym, jak kierowca zespołu, Nigel Mansell doznał urazu w kwalifikacjach do GP Japonii. Z pomocą właściciela Brabhama, Berniego Ecclestone'a Patrese zastąpił Mansella w ostatnim wyścigu sezonu w Australii. Swoją jazdą wywarł dobre wrażenie na szefostwie Williamsa, dzięki czemu w kolejnym sezonie został ich etatowym kierowcą. Pierwszy rok w nowym zespole nie przyniósł większych sukcesów za sprawą słabych silników Judd bez doładowania. W kolejnym sezonie Williams zmienił dostawcę silników na Renault, dzięki czemu Patrese i jego zespołowy partner, Thierry Boutsen byli już w stanie walczyć o zwycięstwa. Boutsen zwyciężył w tym roku w dwóch wyścigach i zajął 5. miejsce w klasyfikacji kierowców. Patrese wykazał się równiejszą jazdą, dzięki której (pomimo braku zwycięstw) sezon ukończył na 3. miejscu.