Williams asistió a la  Universidad de Cornell con una beca de atletismo, completando lalicenciatura en 1931 y el doctorado en físicas en 1935.

La creciente fascinación por los virus,  lo llevó a dejar Míchigan en 1950, cuándo fue invitado a la Universidad de California, Berkeley por Wendell Stanley, para servir como profesor en el recientemente creado Departamento de Virología.

[1]​ Junto con Heinz Fraenkel-Conrat, Williams estudió el virus de mosaico del Tabaco, y demostró que podría crearse un virus funcional a partir de ARN purificado y un recubrimiento de proteína.

Williams fue pionero  en el uso del  microscopio electrónico en Biología.

[2]​ Junto con Ralph Walter Graystone Wyckoff, ayudó a desarrollar una técnica para tomar imágenes tridimensionales de las bacterias, con el microscopio electrónico, utilizando una técnica de "sombreado del metal".