2010–2011: Williams

Pada 2 November 2009, Williams mengesahkan bahawa Barrichello dan Nico Hülkenberg akan menjadi pemandu mereka bagi musim 2010.[3] Ini bermakna bahawa Barrichello akan menjadi pemandu pertama dalam sejarah Formula Satu untuk bersaing dalam lebih 300 Grand Prix.[4]

Pada perlumbaan pertama musim di Bahrain, Barrichello bermula di tempat kesebelas dan menamatkan perlumbaan di tempat kesepuluh. Di Australia, beliau mendapat tempat kelapan. Kereta Barrichello terhenti pada petak permulaan di Malaysia kerana klac kereta beliau terlampau panas, namun beliau kembali untuk menamatkan perlumbaan di tempat ke-12. Di China, beliau sekali lagi mendapat tempat ke-12. Di Sepanyol, beliau mendapat tempat kesembilan.

Pada 15 November 2010, Williams mengesahkan bahawa Barrichello akan terus memandu untuk mereka bagi musim 2011.[5] Rakan sepasukannya pada tahun 2011 ialah Pastor Maldonado.

Di Australia, beliau bersara disebabkan masalah kotak gear. Beliau bersara sekali lagi di Malaysia disebabkan oleh sistem hidraulik yang bocor. Beliau menamatkan perlumbaan di luar petak mata pada tiga perlumbaan seterusnya sebelum mendapat tempat kesembilan di Monaco dan Kanada. Beliau mendapat tempat ke-12 di Valencia dan tempat ke-13 di Britain, namun bersara di Jerman kerana kebocoran minyak. Selepas itu, beliau menamatkan setiap perlumbaan di luar petak mata, namun tidak bersara dari perlumbaan lagi.[6] Perlumbaan terakhirnya ialah di Grand Prix Brazil, selepas menamatkan perlumbaan di tempat ke-14, di hadapan bekas rakan sepasukan, Michael Schumacher.

Pada 17 Januari 2012, Williams mengesahkan bahawa Bruno Senna akan menggantikan Barrichello bagi musim 2012.[7]