Vowles (43) rejoindra sa nouvelle équipe le 20 février, avant les essais à Bahreïn du 23 au 25 et la course d'ouverture de la saison à Sakhir le 5 mars, selon le communiqué de Mercedes.
"C'est un honneur de rejoindre une équipe dont l'héritage est si riche. L'équipe est une icône de notre sport, que je respecte énormément, et j'ai hâte de relever le défi", a déclaré Vowles.
"Mercedes m'a énormément soutenu dans mon parcours, et nous nous séparons en excellents termes après plus de 20 ans de travail à Brackley."
Vowles a été directeur de la stratégie du sport automobile chez Mercedes au cours des quatre dernières années et a joué un rôle dans la victoire de neuf championnats de constructeurs et de 120 courses. Il travaille en Formule 1 depuis 21 ans et a travaillé pour les prédécesseurs de Mercedes, British American Racing (BAR), Honda et Brawn GP à Brackley.
Brawn GP a remporté les championnats du monde des constructeurs et des pilotes en 2009 avec Jenson Button et Vowles a également été impliqué dans six des sept titres de pilotes de Lewis Hamilton.
"Je suis reconnaissant pour tout ce que Toto Wolff (le patron de Mercedes) et l'équipe m'ont apporté, et cela a été une expérience très spéciale", a-t-il ajouté.
"Williams Racing a placé sa foi et sa confiance en moi, et je ferai de même en retour. Williams a un énorme potentiel, et notre voyage ensemble commence dans quelques semaines."
