1996-1998 : arrivée victorieuse chez Williams

Dès le début de la saison 1995, Villeneuve noue des contacts avec les dirigeants d'écuries de Formule 1 et, pendant l'été, fait un test avec l'écurie Williams-Renault sur le circuit de Silverstone : à peine moins rapide que les deux pilotes Williams Damon Hill et David Coulthard, qui connaissent parfaitement la voiture et le circuit, Villeneuve se voit offrir un volant de titulaire pour la saison 1996^[4].

Jacques Villeneuve sur la Williams-Renault au Grand Prix du Canada 1996

La saison 1996 de Villeneuve commence par la pole position pour son premier Grand Prix, à Melbourne. Avant lui, seuls Carlos Reutemann en 1972 et Mario Andretti en 1968 avaient réussi une telle performance. En course, Villeneuve tient la dragée haute à son équipier Damon Hill avant de s'incliner en vue de l'arrivée sur fuite d'huile. Il termine deuxième et monte sur le podium de son premier Grand Prix, une performance plus vue depuis Mark Donohue au Grand Prix du Canada 1971. S'il est dominé en début de saison par Hill, plus expérimenté, il remporte le Grand Prix d'Europe, son quatrième Grand Prix, et la deuxième moitié de saison lui est plus favorable. Il remporte trois autres victoires (à Silverstone, Budapest et Estoril) et aborde l'ultime course avec une chance d'être titré ; il doit pour cela s'imposer tandis que Hill ne doit pas marquer de point. Villeneuve réalise la pole position devant Damon Hill. Il rate son départ, laissant Hill prendre le commandement, n'est jamais en position d'inquiéter le Britannique, et renonce qui plus est après la perte d'une roue. Il devient vice-champion du monde dès sa première saison, une performance qui ne sera égalée que par Lewis Hamilton en 2007.

La Williams FW19 ayant mené Jacques Villeneuve au titre mondial en 1997

À l'entame de la saison 1997, Damon Hill parti chez Arrows et remplacé par Heinz-Harald Frentzen, Jacques Villeneuve est le favori du championnat, sa Williams FW19 étant supérieure à la concurrence. Sa campagne débute cependant par un accrochage avec la Sauber-Petronas de Johnny Herbert dès le premier virage du Grand Prix d'Australie alors qu'il partait en pole position. Le Canadien se rattrape à Interlagos et Buenos Aires mais abandonne sur une casse de boîte de vitesses à Saint-Marin (alors qu'il partait en pole position pour la quatrième fois consécutive) et sur un accident à Monaco, ce qui lui fait perdre la tête du championnat. Il la récupère après sa victoire à Barcelone mais la reperd aussitôt au profit de Michael Schumacher après être parti à la faute à domicile en début de course.

Villeneuve et Schumacher alternent ensuite victoires et contre-performances. Villeneuve l'emporte à Silverstone, Budapest (au prix d'un dépassement osé sur Damon Hill, en proie à des soucis techniques en vue de l'arrivée), sur l'A1-Ring et au Nürburgring où il remporte sa septième victoire de la saison, sa 11^e et dernière en Formule 1. Une disqualification à Suzuka pour non-respect des drapeaux jaunes alors qu'il était cinquième entraîne un duel lors du dernier Grand Prix, à Jerez, où ils ne sont séparés que par un point au championnat, à l'avantage du pilote Ferrari. En qualifications, les deux hommes ainsi que Frentzen réalisent le même temps, Villeneuve part en pole position pour la dixième fois de la saison et la 13^e et dernière fois de sa carrière en Formule 1. Moins bien parti que Schumacher, Villeneuve se lance dans une course-poursuite puis place une attaque surprise sur Schumacher au 48^e passage. Ce dernier accroche le Québécois volontairement, un double abandon lui donnant le titre^[5]. Schumacher reste bloqué dans le bac à graviers et abandonne (puis est plus tard déclassé du championnat 1997) tandis que Villeneuve file vers le titre mondial. Dans le dernier tour, il laisse passer les McLaren-Mercedes de Mika Häkkinen et David Coulthard, plus rapides, n'ayant pas besoin de prendre de risques ; c'est la dernière fois qu'il mène un Grand Prix. À 26 ans, il devient le premier Canadien champion du monde de Formule 1, au bout de sa deuxième saison seulement, un fait qui ne sera égalé que par Lewis Hamilton en 2008.

Jacques Villeneuve au Grand Prix d'Italie 1998.

En 1998, Williams perd le soutien officiel de Renault qui se retire, et d'Adrian Newey (cela dès le début de la saison 1997), parti chez McLaren. Les moteurs des FW20, des V10 Renault de la saison précédente, sont rebadgés Mecachrome et la voiture est en deçà des McLaren-Mercedes et des Ferrari. Jacques Villeneuve doit se contenter de quelques places d'honneur dont deux podiums (en Allemagne et en Hongrie) et d'une cinquième place au championnat du monde, ce qui est, compte tenu de la voiture, une bonne performance ; il devance son coéquipier Heinz-Harald Frentzen, septième, alors qu'au début de la saison précédente, Williams présentait l'Allemand, tout juste arrivé dans l'écurie, comme son pilote n^o 1 et prochain champion du monde après Damon Hill^[6].

1999-2003 : le projet BAR

Jacques Villeneuve au Grand Prix des États-Unis 2003

Villeneuve donne une nouvelle orientation à sa carrière en rejoignant la nouvelle écurie British American Racing, cofondée par son ami et manager Craig Pollock^[7]. Malgré des moyens importants, BAR n'est jamais à la hauteur de ses ambitions d'origine et Villeneuve ne parvient jamais à lutter pour la victoire. En 1999, sur la BAR-Supertec, il n'inscrit aucun point à cause de problèmes de fiabilité récurrents, abandonnant à treize reprises en seize Grands Prix. À partir de 2000, renforcées par un partenariat signé avec le motoriste japonais Honda, les BAR progressent et Villeneuve inscrit 17 points en terminant notamment quatre fois quatrième. Il remonte à la septième place du championnat et bat nettement son coéquipier Ricardo Zonta, quatorzième avec trois points.

En 2001, Villeneuve fait équipe avec le Français Olivier Panis. Il monte sur ses premiers podiums depuis 1998 en Espagne et en Allemagne. Le podium d'Hockenheim est d'ailleurs son 23^e et dernier. Il termine septième avec 12 points.

Fin 2001, le limogeage de Craig Pollock et son remplacement par David Richards fragilisent la position de Villeneuve au sein de l'écurie. Tandis que le niveau des BAR-Honda en 2002 repart à la baisse, l'écurie terminant huitième du championnat, les performances du Québécois, jugées insuffisantes compte-tenu de son salaire, sont régulièrement pointées par le nouveau directeur. En effet, Villeneuve n'inscrit des points qu'à deux reprises (quatrième en Grande-Bretagne et sixième aux États-Unis et termine douzième du championnat avec quatre points. À l'issue d'une saison 2003 perturbée par les conflits internes et durant laquelle il est sèchement battu par le jeune Jenson Button qui termine neuvième quand le Canadien est seizième, Villeneuve est limogé par Richards à la veille du dernier Grand Prix de la saison et remplacé par le Japonais Takuma Satō.

2004-2006 : retour chez Renault et Sauber

Sans volant pour 2004, Villeneuve préfère attendre d'éventuelles opportunités en Formule 1 plutôt que de s'engager dans une autre discipline. Il est appelé en fin de saison par Renault pour remplacer Jarno Trulli à l'occasion des trois dernières courses. Cette expérience est peu concluante, Villeneuve étant incapable de placer la Renault dans les points (ne faisant pas mieux que dixième). Simultanément, il annonce son engagement pour la saison 2005 avec l'écurie Sauber-Petronas^[8].

Jacques Villeneuve au volant de la Sauber C24 lors des qualifications du Grand Prix des États-Unis 2005.

En 2005, mis en difficulté par son jeune équipier Felipe Massa bien qu'il se classe tout de même quatrième à Saint-Marin, Villeneuve hausse son niveau de performance au fil de la saison, terminant notamment sixième en Belgique. Quatorzième du championnat avec neuf points, deux de moins que Massa, il conserve son volant pour la saison 2006 au sein de l'écurie désormais appelée BMW Sauber après son rachat par le constructeur bavarois^[9]. Toutefois, bien que son contrat coure sur plusieurs saisons, Villeneuve doit attendre un certain temps pour que BMW Sauber confirme sa présence, signe d'une confiance limitée de son nouvel employeur.

Jacques Villeneuve sur la BMW Sauber F1.06 en 2006 lors d'essais privés à Valence

Un bon début de saison 2006 au cours duquel il fait jeu égal avec son équipier Nick Heidfeld semble renforcer sa position au sein de l'équipe. Il termine notamment septième en Malaisie et sixième en Australie. Mais progressivement, il est rattrapé par les critiques, liées notamment aux performances du pilote-essayeur Robert Kubica jugées, par son équipe, supérieures à celles des pilotes titulaires. Au surlendemain du Grand Prix d'Allemagne, au cours duquel il s'accroche avec son coéquipier avant de partir à la faute plusieurs tours plus tard et de taper violemment le mur de pneus, il annonce à son employeur qu'en raison de douleurs physiques consécutives à son accident, il n'est pas en mesure de disputer l'épreuve suivante, en Hongrie. BMW Sauber titularise alors Robert Kubica ; ce qui ne devait être qu'un intérim se transforme en une mise à l'essai en vue du remplacement de Villeneuve jusqu'à la fin de la saison. Au lendemain du Grand Prix de Hongrie, BMW Sauber annonce par un communiqué de presse avoir trouvé un accord avec le pilote québécois pour mettre un terme anticipé à son contrat^[10]. Il quitte ainsi la Formule 1 au bout de 163 Grands Prix et termine sa dernière saison à la quinzième place, avec sept points.

En avril 2007, il publie un album de musique, Private Paradise^[11].

2010 : échec du retour avec Stefan GP

En 2009, Toyota F1 Team se retire de la Formule 1. L'écurie serbe Stefan GP, ayant déjà tenté sa chance, pense participer à la saison 2010 en utilisant les châssis TF110 initialement construits pour la saison et semble proche de signer un contrat avec Jacques Villeneuve, lui permettant de revenir après trois saisons d'absence, et le Japonais Kazuki Nakajima mais cela n'aboutit pas, l'écurie n'étant pas autorisée à participer à la saison^{[12],[13],[14],[15]}.