Para la temporada de 1997, Frentzen reemplazó a Damon Hill en el equipo Williams-Renault, que había ganado el campeonato de pilotos tres veces desde 1992. En la primera carrera de la temporada, el Gran Premio de Australia
Frentzen tomó la delantera en la primera curva y permaneció allí hasta su primera parada en boxes. Estaba corriendo segundo al final de la carrera cuando un disco de freno explotó, lo arrojó fuera del circuito y se retiró. Obtuvo su primera victoria en San Marino, pero la temporada fue decepcionante para él; después del ambiente familiar en Sauber, Frentzen encontró la vida en Williams difícil, en particular teniendo una relación problemática con Patrick Head. A pesar de clasificarse para muchas carreras en la primera fila, tenía una tendencia a retroceder en la carrera, generalmente terminando muy por detrás de su compañero de equipo Jacques Villeneuve. Sin embargo, debido a la descalificación de Michael Schumacher del campeonato de pilotos, Frentzen terminó segundo en el campeonato con 42 puntos frente a los 81 de su compañero de equipo Villeneuve, después de haber anotado una victoria frente a los siete de Villeneuve.