Вильнев покинул покорённый чемпионат после приглашения от Фрэнка Уильямса. Он дебютировал за команду «Уильямс» на Гран-при Австралии 1996 года, где сразу завоевал поул и едва не одержал победу, но из-за механической поломки коробки передач смог финишировать лишь вторым. Свой дебютный чемпионат закончил вице-чемпионом, одержав четыре победы и уступив только своему партнёру Деймону Хиллу. Это лучший дебют в истории Ф-1, который не удавалось превзойти никому, и лишь через одиннадцать лет это достижение повторил Льюис Хэмилтон. Также канадец показал отличную стабильность для дебютанта, по итогам сезона он стал лучшим по количеству пройденных кругов (937) и километров дистанции (4493,56).