En 1993, hizo un papel en la serie Baywatch y un año después debutó en el cine en la película Lassie.

Para cumplir con las pautas de la emancipación, completó su educación secundaria en nueve meses a distancia.

En Species (1995), ella jugó un papel como la versión más joven de Sil, un alien-humano que crece rápidamente hasta convertirse en un monstruo interpretado por Natasha Henstridge.

Después de esto, Williams hizo apariciones en las películas hechas para la televisión My son is innocent (1996), que vio su tránsito al mundo laboral más dramático, y Killing Mr.

Griffin 1997) En 1997, descontenta con los roles que se le ofrecían, los amigos de Williams y varios actores escribieron un guion titulado Blink.

Se mudó a Los Ángeles y rápidamente, a los diecisiete años, consiguió un papel destacado en Dawson's Creek como Jen Lindley el papel que la hizo famosa y con el cual se relacionaban ya que ambas crecieron "demasiado rápido".

En una entrevista con USA Today, ella describió su personaje como "esta estable, feliz y despreocupada joven, todavía luchando con los demonios".

Michelle dijo que el estar en Creek le permitió elegir sus proyectos.

Williams recordó de trabajar en el programa Su primera producción convencional fue en la película Halloween H2O: Veinte años después (1998).

"Siento que no he estado trabajando de una manera particularmente llamativa o visible", reflexionó ella a la revista Vogue.

El siguiente film fue Prozac Nation (2002), protagonizada por Christina Ricci y basada en la autobiografía, del mismo nombre, de Elizabeth Wurtzel.

Una comedia dramática, sonre un enano, Finbar McBride (Peter Dinklage), que vive en una estación de tren abandonada, y comienza una amistad con la bibliotecaria interpretada por Williams.

Después de que Dawson's Creek terminó en 2003, Williams admitió tener dificultades para encontrar los roles correctos.

Su próxima película fue Imaginary Heroes (2005), centrado en torno al efecto del suicidio de un hijo en su familia suburbana.

En un giro raro hacia la comedia, protagonizó The Baxter junto a escritor/director Michael Showalter.

Su personaje, Alma, es la esposa de Ennis (Ledger), quien descubre la relación entre su marido y Jack al verlos besarse.

Impresionado por su trabajo en Dick, el guionista Charlie Kaufman unió a Williams a su elenco para su debut como director de Synecdoche, New York, con un reparto que contaba con Philip Seymour Hoffman y Emily Watson.

A diferencia de otros, incluyendo el director, Williams no encontró la película deprimente.

Grabó junto a Leonardo DiCaprio la película Shutter Island, en donde hace de su esposa, Dolores Chanal.

La película está dirigida por Martin Scorsese, un thriller psicológico basado en la novela best-seller del año 2003 de Dennis Lehane que lleva el mismo nombre (Shutter Island).

En diciembre del mismo año, actuó junto a Ryan Gosling, como parte de una pareja casada luchadora en el drama romántico Blue Valentine.

[6]​[7]​[8]​[9]​ Mi semana con Marilyn es un drama británico basada en dos novelas de Colin Clark, los cuales narran la realización de la película El príncipe y la corista, que fue protagonizada por Marilyn Monroe (Williams) y Laurence Olivier (Kenneth Branagh) en 1957.

Después de irse a casa del expolicía para una velada romántica, son emboscados por una banda en la que la chica parece estar involucrada.

[23]​[24]​ Williams hizo su debut en Broadway en el reestreno de Cabaret, protagonizando como Sally Bowles.

Durante el tiempo en que Williams y Ledger estuvieron juntos, tenían una vida de bajo perfil en Brooklyn, Nueva York.

Como resultado, Williams rara vez concedía entrevistas hasta a finales de 2009.

[26]​ Más tarde ese mismo mes asistió a sus memoriales y servicios funerarios.