Frank Williams dirigía un equipo que utilizaba coches-cliente, pero fue en 1977 cuando creó el equipo Williams como Constructor de Fórmula 1, junto con el joven ingeniero Patrick Head. Comenzaron aquella temporada con un chasis March, y fue en 1978 cuando Head diseñó su primer F1 para Williams. Pocos apostarían entonces a que el equipo se convertiría en pocos años en uno de los más importantes de la historia de este deporte.
En 1979 Clay Ragazzoni lograba la primera victoria del equipo al vencer en el Gran Premio de Gran Bretaña, y en 1980 Alan Jones, compañero de Carlos Reutemann, lograba el primer Título de Pilotos de Williams junto con el primer Título de Constructores para el equipo. En 1981 el mismo dúo de pilotos logró otra vez el Título de Constructores, aunque a Reutemann se le escapó el de pilotos por un punto. La temporada siguiente, todavía con motores Cosworth, Keke Rosberg lograba el Título de Pilotos.
El cambio a motores Honda Turbo tardó un poco en dar sus frutos pero funcionó muy bien a mediados de los 80 cuando Nelson Piquet y Nigel Mansell pilotaban para el equipo. En 1986 (año en el que Frank Williams sufrió el accidente que le dejó en silla de ruedas) y 1987 lograban los Títulos de Constructores, escapándosele a Mansell por poco el de Pilotos en 1986 y lográndolo Piquet al año siguiente.
Pero la pérdida de los motores Honda en 1988 fue un duro golpe para el equipo, que puso las primeras semillas de su recuperación cuando comenzó a montar motores Renault en 1989.
En 1991 Nigel Mansell volvía y al año siguiente Williams volvía a dominar otra vez con el FW14B, que fue pionero en tecnologías como la suspensión activa, logrando Masell el Título de Pilotos y Williams el de Constructores. Tras lograr el título Mansell dejaba la F1 y era sustituido por Alain Prost, que lograba su cuarto Campeonato de Pilotos en 1993 antes de retirarse también del deporte. Repetían también el Título de Constructores, al igual que en 1994, aunque aquella temporada estuvo marcada por la fatalidad cuando Ayrton Senna, quien llegó al equipo para sustituir a Prost, fallecía en Imola, en el tercer GP de la temporada, dejando a Damon Hill como líder del equipo.
En 1996 Hill logró el Título de Pilotos, dando al equipo el de Constructores, mientras que en 1997 era Jacques Villeneuve el que lo hacía, sumando el noveno Título de Constructores para Williams, pero la salida de Renault dejó al equipo buscando motorista una vez más.
Una nueva asociación con BMW trajo victorias pero no títulos, y desde que ambos se separaran al final de 2005 Williams ha sufrido por asomar la cabeza desde la zona media de la parrilla con motores Cosworth y Toyota.
En 2011 Williams caía al abismo en la peor temporada de su historia, con un coche lento y poco fiable que sólo logró cinco puntos, resultado de lo cual llegaron muchos cambios. El director técnico Sam Michael dejaba el equipo, para ser sustituido por el ex-McLaren Mike Coughlan, mientras que Patrick Head decidía jubilarse.
El retorno de la unión Williams y Renault en 2012 ayudó a recuperar la competitividad, logrando Pastor Maldonado en España la primera victoria del equipo desde el 2004, aunque la inconsistencia de sus pilotos les hizo acabar la temporada en peor posición de lo que aquel coche era capaz de lograr.
En 2013 el equipo comienza la temporada con expectativas muy altas, continuando Pastor Maldonado y siendoBruno Senna sustituido por el debutante Valtteri Bottas, pero el FW35 pronto decepciona, trascurriendo la temporada para los dos pilotos mayormente en la lucha fuera de los puntos. En Williams tuvieron muchos problemas para desarrollar un sistema eficaz de difusor soplado por los gases de escape, y no puntuó en las nueve primeras carreras, lo que supuso el peor inicio de temporada de su historia. Fue entonces cuando se anunció la llegada de Pat Symonds en sustitución de Mike Coughlan como director técnico. El equipo sólo puntuó en dos ocasiones, una con la décima posición de Maldonado en Hungría, y la otra con la octava de Bottas en Austin, acabando novenos en el Campeonato de Constructores con cinco puntos. Esa temporada fue patente la total ruptura de relaciones entre el equipo y Pastor Maldonado, quien incluso les acusó de sabotear su coche en la calificación del GP de EE.UU.
Para el 2014, Williams anuncia el cambio a motores Mercedes para la nueva era de los V6 turbo, así como la llegada de Felipe Massa para sustituir a Maldonado y ser el nuevo compañero de Bottas. La combinación de un excelente chasis, de una fortísima unidad de potencia de Mercedes, y de una competitiva pareja de pilotos Bottas-Massa, hacen que el equipo vuelva a lo más alto y se olvide de los fantasmas de temporadas anteriores. El FW36 es único competidor real que planta cara a los coches de Mercedes, y aunque las victorias son difíciles de alcanzar, terminan terceros en el campeonato de constructores después de subirse al podio en ocho de 19 carreras. Para 2015 siguen con la misma dupla de pilotos y su objetivo es conseguir victorias.
