W tym roku wygrał też prestiżowy wyścig Indianapolis 500 i został drugim w historii kierowcą, po Grahamie Hillu, który odniósł zwycięstwo w swoim pierwszym podejściu.
Formuła 1 Williams (2001–2004) thumb|left|Juan Pablo Montoya w bolidzie Williams FW26 podczas Grand Prix Stanów Zjednoczonych (2004) 4 marca 2001 zadebiutował w Formule 1, podczas Grand Prix Australii w barwach zespołu Williams. W tym sezonie Montoya zdobył trzy pole position, stanął kilkakrotnie na podium i zwyciężył raz w Grand Prix Włoch.
W sezonie 2002 był najlepszym kierowcą, nie licząc zawodników Ferrari, którzy zdominowali sezon wygrywając 15 z 17 wyścigów. Montoya nie wygrał żadnego wyścigu, ale zajął ostatecznie trzecią pozycję w klasyfikacji końcowej. Wtedy obowiązywał system kwalifikacji, w którym każdy z zawodników miał do dyspozycji dwanaście okrążeń, Juanowi ten system bardziej odpowiadał od późniejszych, zdobył siedem pole positon w tamtym sezonie.