Nel 1970 Williams intraprese un breve periodo di collaborazione con Alejandro de Tomaso, che terminò subito dopo la morte di Courage nel Gran Premio d'Olanda di quell'anno. Nel 1971 Henri Pescarolo prese il posto del pilota inglese, guidando una vettura ricavata da uno chassis fornito dalla March. Nel 1972 la Williams costruì la prima vettura progettata dalla scuderia stessa, la Politoys FX3 su progetto di Len Bailey, poi schiantatasi nella gara d'esordio, con a bordo Pescarolo. Williams, a corto di soldi in quel periodo (tant'è vero che conduceva gli affari della scuderia da una cabina telefonica, dopo che gli staccarono le linee del telefono per non aver pagato le bollette), riuscì a risolvere i problemi finanziari grazie alle sponsorizzazioni della Marlboro e dell'Iso Rivolta. Ciononostante, dopo il fallimento dell'Iso, nel 1976 Williams dovette cedere al magnate petrolifero Walter Wolf, che si era detto disposto ad aiutare la scuderia, il 60% della proprietà. L'anno successivo Frank Williams, assieme all'ingegnere Patrick Head, lasciò definitivamente la scuderia. I due acquistarono un negozio di tappeti abbandonato a Didcot, nell'Oxfordshire, e da lì fondarono una nuova scuderia, la Williams Grand Prix Engineering (ossia l'attuale Williams), che gareggia ancora oggi in Formula 1 con il nome di Martini Williams. Grazie ad essa, Williams ottenne immediatamente un successo inaspettato: la prima vittoria in gara arrivò nel 1979 con Clay Regazzoni, il primo titolo del Campionato mondiale piloti di Formula 1 nel 1980 con Alan Jones ed il secondo nel 1982 con Keke Rosberg, oltre ai due titoli consecutivi del Campionato mondiale costruttori di Formula 1 nel 1980 e nel 1981.