W Formule 1 zadebiutował podczas wyścigu o Grand Prix Hiszpanii 1992 w zespole Brabham, zastępując Włoszkę Giovannę Amati. Brytyjczyk zakwalifikował się tylko do rund w Niemczech i na Węgrzech. Po wyścigu na torze Hungaroring, zespół z powodu kłopotów finansowych wycofał się z Formuły 1 i Hill musiał szukać miejsca na sezon 1993. Po odejściu Nigela Mansella do serii CART i Riccardo Patrese do Benettona, został kierowcą w zespole Williams. W połowie lat 90. Hill był głównym rywalem Michaela Schumachera, dwukrotnie walcząc o tytuł mistrzowski. Ich kolizja podczas Grand Prix Australii 1994 dała Niemcowi pierwsze mistrzostwo świata, z przewagą jednego punktu. W 1996 został mistrzem świata, wygrywając osiem rund. Był pierwszym w historii kierowcą Formuły 1, który zdobył tytuł, podobnie jak jego ojciec. Pomimo tego sukcesu, Williams nie przedłużył umowy z Hillem i przeszedł do zespołu Arrows, gdzie zdobył w Grand Prix Węgier 1997 ostatnie podium dla zespołu. Po roku współpracy przeniósł się do zespołu Jordan Grand Prix, który reprezentował do końca kariery. W tym czasie zwyciężył wyścig o Grand Prix Belgii 1998.