2014年からF1のエンジンレギュレーションが大きく変更されることから、2013年5月にウィリアムズは、2014年より新たにメルセデスからエンジン供給を受けることを発表した。メルセデスはウィリアムズにエンジン及びエネルギー回生システム（ERS）を含むパワーユニットを供給するが、トランスミッションはウィリアムズが独自開発する。ドライバーは残留したボッタスとフェラーリからフェリペ・マッサが移籍。テスト段階では従来の紺ベースだったが、マルティーニ・エ・ロッシとの大型スポンサー契約がまとまり、チーム名や塗装にマルティーニの意向が反映され、白地に赤青ストライプが車体に描かれた。2008年を最後に離れていたペトロブラスがブラジル人のマッサ加入に伴いスポンサーに復帰。マルドナドが離脱したもののPDVSAは契約期間が残っていた為に残り期間のスポンサー料が違約金として支払われ、BMWエンジンを失って以後、最も潤沢な資金を得てシーズンに臨む事となった。それでもフェラーリの半分の年間予算である。開幕戦オーストラリアGPではボッタスが前年を上回る5位入賞を果たし、1戦で前年1年間の総獲得ポイントを超えた。続く第2戦マレーシアGP、第3戦バーレーンGPでもマッサ7位、ボッタス8位とダブル入賞が続く。第8戦オーストリアGPの予選ではマッサがポールポジション、ボッタスが2番手とフロントローを独占した。ウィリアムズのPPは近年に2010,2012年に獲得しているが、フロントローを2台独占したのは2003年フランスGP以来の11年ぶりの出来事であった。なお、マッサ自身にとっても2008年ブラジルGP以来6年ぶりのPP獲得であった。決勝は序盤トップと2位を先行したが、ピット作戦でメルセデス勢に逆転を許しマッサ4位、ボッタス3位初表彰台という結果となった。次戦イギリスGPではボッタスが予選Q1敗退・14番手ながら決勝で2位表彰台を獲得。この年は大不振に終わったフェラーリとロータスを上回り 年間ランキング3位と2005年以来の好成績をあげトップチーム返り咲きを果たした。ちなみに、最終戦のアブダビGPではダブルポイントの効果もあり、2台で66ポイントを獲得。これにより、1レースで獲得したポイントが最も多いチームとしての記録を残した。2015年もボッタス、マッサのコンビで参戦。序盤は表彰台に上がれないレースが続いたが、ボッタスが第7戦カナダGPで、続く第8戦オーストリアGPでマッサが表彰台を獲得する。第9戦イギリスGPでは2列目からマッサ、ボッタス共にロケットスタートでメルセデスを抜き去り1-2体制でレースを進めていた。しかしピット作戦でメルセデス2台に逆転されると、終盤に雨が降り出した際にウェットタイヤへ交換するタイミングを誤り、フェラーリのセバスチャン・ベッテルにも逆転されマッサ4位、ボッタス5位に終わった。シーズンを通してメルセデス、フェラーリの後塵を拝するレースが多く、表彰台は両ドライバーとも2回ずつに留まり、ランキングではボッタス5位、マッサ6位となった。レッドブルの不振もありコンストラクターズは前年と変わらず3位でシーズンを終えた。2016年もドライバーは変わらず。序盤は2015年と同じような成績であったがシーズンが進むにつれてポイントを獲得するのが精一杯という状況になっていき、メルセデス、レッドブル、フェラーリから大きく差をつけられた。同じメルセデス製パワーユニットを使用するフォース・インディアとコンストラクターズ4位を争う状況になったが及ばず5位となった。表彰台もカナダGPでのボッタスの3位のみに終わっている。イタリアGPでマッサがこの年で限りで引退することを発表した。また、テクニカルディレクターのパット・シモンズがこの年をもってチームを離脱。2017年は「ウィリアムズ・グランプリ・エンジニアリング」としてのF1参戦40周年を迎えることから、順番通りのFW39ではなくシャシー名称を「FW40」とした。ドライバーは当初、マッサの引退を受け、ボッタスの残留と前年ウィリアムズのリザーブドライバーを務めていたランス・ストロールの昇格を発表していた。しかしその後、前年度王者のニコ・ロズベルグの電撃的引退に伴いボッタスがメルセデスに移籍し、その影響でマッサは引退を撤回して引き続きウィリアムズで走ることとなった。ストロールには父親であるローレンス・ストロールによる資金提供が強く関わっているとの声が強く、才能を発揮できるか勝負の年となる。なお、ウィリアムズで10代のドライバーが走るのは史上初のことである。メルセデスを離脱したパディ・ロウがチーフテクニカルオフィサー(CTO)に、前年末にフェラーリを離脱したディルク・デ・ビアが空力責任者にそれぞれ就任し技術陣の強化を行った。ストロールは開幕3戦でリタイアを喫し経験不足を露呈するが、初の母国レースとなる第7戦カナダGPで9位入賞を果たすと、次のアゼルバイジャンGPでは3位に入り、初の表彰台に立った。オーストリアGPでは予選ではマッサ17位、ストロール18位と低迷するも決勝ではマッサ9位、ストロール10位にまで追い上げ今シーズン初のダブル入賞を果たした。ハンガリーGPはマッサが体調不良を訴え欠場したため、リザーブドライバーのポール・ディ・レスタが代走を務めた。これ以降は時折入賞する程度で、ランキングこそ昨年の5位と変わりはなかったが4位のフォース・インディアにはダブルスコアを付けられる結果となった。ただしウィリアムズはストロールの表彰台が1回あったのに対して、フォース・インディア勢は表彰台に上がることはなく、またこの年、1年を通じてトップ3チーム（メルセデス、フェラーリ、レッドブル）以外のドライバーが表彰台に上がったのもストロールのこの1回だけであった。マッサはシーズン終了をもって（2度目の）引退を表明した。2018年1月16日、ストロールの残留とセルゲイ・シロトキンの起用、そしてロバート・クビサのリザーブ兼開発ドライバー就任が発表された。開幕を前に、2014年からタイトルスポンサーとなっていたマルティーニが2018年をもって契約終了となることが発表された。マルティーニは25歳以上のドライバーを起用することを要望していたが、ストロールは19歳、シロトキンは22歳と条件を満たしておらず、今回のドライバー選択が契約終了の一因ではないかとの見方をされていたが、クレア・ウィリアムズはこれを否定している。パディ・ロウの手による新車FW41に期待が高まったものの空力に問題を抱え、5月にはチーフデザイナーのエド・ウッドと空力責任者のディルク・デ・ビアが相次いで離脱し、パフォーマンスエンジニアリング責任者のロブ・スメドレーもシーズン終了をもって離脱する事態に陥った。自社開発を続けて来たトランスミッションもメルセデスからの供給に切り替える報道もあるが、パディ・ロウは『ウイリアムズは独立したコンストラクターとして活動するという根強い文化を持っている。パーツにも責任を持ち、自社で製造しているのだ』と慎重な姿勢である。入賞したのはストロールが第4戦アゼルバイジャンGPで挙げた8位とダブル入賞を果たした第14戦イタリアGPの2戦（イタリアGPのダブル入賞は、上位のドライバーが失格になったこともあってのものであった）のみで、コンストラクターズランキング最下位に低迷した。更にストロール家率いるコンソーシアムが破産宣告を受けたフォース・インディアを買収し、ランス・ストロールも同チームから名称を変更したレーシング・ポイントへ移籍した。2019年、前年の予告通りマルティーニとの契約が終了したため、今期は携帯電話会社の「ROKiT（ロキット）」と新たなタイトルスポンサー契約を結び、『ロキット・ウィリアムズ・レーシング』の名でエントリー。リザーブドライバーのクビサが正ドライバーに昇格して9年ぶりにF1復帰、メルセデスのリザーブドライバーを務めた新人ジョージ・ラッセルとのコンビとなる。新車FW42は合同実走テストに2日半参加できず大幅なハンデとなり、開幕1週間前にCTOのパディ・ロウが事実上更迭された。開幕戦オーストラリアではクビサ、ラッセル共々予選・決勝共に最下位に甘んじ、その後のレースでも下位に低迷。チームは人員の再編を行い、パトリック・ヘッドがコンサルタントとして8年ぶりにF1へ復帰、アダム・カーターがデザイン責任者の役割を引き継いだ。第11戦ドイツGPでクビサが10位となりノーポイントは免れたが、上位のドライバーのペナルティによる繰り上がりでの入賞であった。7月にROKiTと2023年まで、9月にメルセデスPUと2025年までの長期契約をまとめた。シンガポールGP記者会見でクビサがチーム離脱を発表した。