Kalispell, Montana'da Carla Ingrid ve yazar-siyasetçi Larry Richard Williams'ın çocuğu olarak doğdu. Paige adlı bir kız kardeşi, 3 tane de üvey kardeşi vardır. 9 yaşında Montana'dan San Diego'ya taşındı ve bu sayede birtakım televizyon programlarına çıkarak televizyonla tanıştı. 1993'te Sahil Güvenlik dizisinin bir bölümünde oynadı. 1998'de kariyerinin dönüm noktası olan Halloween H20: 20 Years Later filmi ve daha önemlisi Dawson's Creek dizisi geldi. Dizideki Jen karakteriyle büyük şöhret kazanmıştır. 2001'de Elizabeth Wurtzel'in romanından uyarlama olan Prozac Nation adlı filmde Christina Ricci ile birlikte başrolü paylaştı. Aynı yıl Omar Epps ve Jeff Goldblum ile başrollerini paylaştığı 'Perfume' adlı filmde oynadı. Dawson's Creek dizisi için bir süre Wilmington, Kuzey Carolina'da yaşadı. 2005 yapımı Brokeback Mountain filmindeki Alma del Mar rolüyle En İyi Yardımcı Oyuncu dalında Oscar adayı oldu. 2010 yapımı Shutter Island filminde oynadıktan sonra 2011'de My Week With Marilyn filminde Marilyn Monroe'yu canlandırdı. 2016'da Kenneth Lonergan'ın Manchester by the Sea filmindeki Randi karakteriyle takdir kazanan Williams, 2017'de Muhteşem Showman (The Greatest Showman) ve All The Money in the World filmlerinde başrol oynadı. All The Money in the World ile En İyi Kadın Oyuncu (Dram) dalında Altın Küre adayı oldu.
Genç yaşta hayatını kaybetmiş Avustralyalı aktör Heath Ledger'la 2004–2007 arasında evli kalan Williams'ın bu evlilikten 2005 doğumlu Matilda Rose Ledger adında bir kızı vardır.
