2017年1月17日、メルセデスのアンバサダーに就任することが発表された。同年9月15日には、F1復帰を目指すロバート・クビサの共同マネージャーに就任。その後、このマネージメントから離脱し、若手ドライバー支援のためにカートアカデミーを立ち上げた。また、RTLテレビジョン、2018年からはSKY SPORTSの解説者としても出演しながら、F1評論家としても寄稿活動を行っており、同郷のセバスチャン・ベッテルに対して辛口の批評を行うこともある。
チームメイトは前年に2度目の引退を表明したシューマッハに代わり、マクラーレンから移籍のルイス・ハミルトン。かつてのカート時代の仲間とタッグを組む。第4戦バーレーンGPから3戦連続ポールポジション。第6戦モナコGPではポール・トゥ・ウィンを飾り、自身通算2勝目を挙げる。父ケケも1983年のモナコGPで優勝しており、史上初のモナコGP親子優勝となった。また、タイヤトラブルが多発し、サバイバルレースとなったイギリスGPを制し、シーズン2勝を挙げた。結果として、チームメイトのハミルトンの後塵を拝する成績に終わったものの、随所で上回り自身の評価を上げるシーズンとなった。
第3戦中国GPでは、予選で圧倒的な速さを見せ、決勝でもF1参戦7年目の111戦目にして、ポール・トゥ・ウィンでのF1初優勝を飾った。また第6戦モナコグランプリでは2位入賞し、モナコで自身初の表彰台を獲得した。1勝を含めて10回入賞し、総合成績では3年連続でチームメイトのシューマッハを上回ったものの、終盤6戦では入賞なし（うちリタイア3回）と失速し、ドライバーズランキングでは前年を下回る9位となった。
第3戦中国GP、第4戦トルコGPで獲得した5位が最高位となり、前年のような表彰台獲得には至らなかった。しかし14回の入賞と、2年連続で総合成績でシューマッハを上回った。
チームメイトは4シーズンぶりにF1に復帰したミハエル・シューマッハ。開幕戦バーレーンGPから予選・決勝ともにシューマッハを上回る成績を収めた。第3戦マレーシアGPはウェットコンディションの予選で自身初となるフロントローを獲得し、決勝でも3位表彰台を獲得。この年は表彰台3回の活躍を見せている。また、総合ポイントでミハエル・シューマッハを大きく上回った。
開幕戦オーストラリアGPではフリー走行の全てのセッションでトップタイムを記録したが、期待された予選は5位に終わった。決勝はピットストップでトラブルに見舞われ順位を大きく落としながらも、レース終盤には自身2度目となるファステストラップを記録し、6位に入賞した。第2戦マレーシアGPでも入賞し、次の2戦こそ入賞圏外でレースを終えたが、その後の第5戦スペインGPから第12戦ベルギーGPまで、8戦連続で入賞した。しかし第13戦イタリアGPでは今期初の予選Q1敗退。決勝レースでも序盤に接触したのち16位という結果に終わった。このレースで完走したことにより連続完走記録を25戦に伸ばし、ミハエル・シューマッハの24戦を抜いて歴代2位となった。第14戦シンガポールGPでは自身予選最高位タイとなる3位を獲得。決勝では最初のピットアウトの際にオーバースピードから出口付近の白線を横断するミスを犯し、ドライブスルーペナルティが科せられた。セーフティカー導入後にペナルティを消化せざるを得ない事態となったことで下位に沈み、11位でフィニッシュ。2戦連続ノーポイントに終わった。第15戦日本GPでは5位に入賞し3戦振りのポイントを獲得した。11月23日、翌年からF1ワークス活動を再開するメルセデスへの移籍を発表した。
引き続きウィリアムズから参戦。この年からウィリアムズのマシンにトヨタエンジンを搭載。信頼性も向上したことからリタイアは年間3回に減少し、第11戦ハンガリーGPから第14戦ベルギーGPまで4戦連続で入賞するなど着実にポイントを重ね、最終戦ブラジルGPでは自己最高位の4位入賞を果たした。シーズンオフには、マクラーレンへの移籍が噂されるなど、評価を上げた一年となったが、一発の速さがある一方で若さゆえのムラのある走りも多く、チームメイトのアレクサンダー・ヴルツが表彰台を獲得したのに対し、表彰台には後一歩届かなかった。
F1デビュー戦となった開幕戦バーレーンGPで7位入賞を果たしたのみでなく、史上最年少でファステストラップを獲得する活躍を見せた。続く第2戦マレーシアGPでは予選3位を獲得し、その後の第5戦ヨーロッパGPでも7位入賞など、序盤は活躍を見せた。しかし、度重なる他車との接触やマシントラブルなどで、全18戦中9戦でリタイアを喫し、結果的に序盤で獲得した4ポイントから前進できずチームメイトのマーク・ウェバーには予選・決勝共に大差をつけられてシーズンを終えた。
超音速機が実用化され始めた頃は亜音速機とあまり変わらないエアインテイクを持っていた。このため超音速飛行においてエンジンの効率が低下し損傷しやすくなるという問題があったが、その頃には当然ながらショックコーンの持つ意義は知られていなかった。史上初のショックコーン搭載の実用機はロッキードF-104であり、その高性能から「パイロットつきのミサイル」「最後の有人戦闘機」と呼ばれたりもした。なお、これ以前にもヴォートF8Uはインテイク手前に尖ったレドームが突き出しており、偶然にもショックコーンの役目を果たしていたが、元々その目的で設置されたものではないため固定式である。初期のショックコーンはF-104がそうであるように円形もしくは半円形のインテイクの中心に配置されるスパイク型のものが多かった。これを前後に動かして衝撃波の角度をインテイクに合わせて速度に応じた効率を実現していた。1970年代以降になると超音速機のインテイクは正面から見ると角型、横から見ると斜めに突き出しているものが多くなった（F-15やMiG-25など）。これは前に突き出した部分の角度を変えて低速から超音速まで対応するもので、スパイク型のものより調整が容易かつ幅広く行なえ、複雑な調整も可能なので主流となった。この場合インテイク入口の前面投影面積も同時に変更される。