נולדה וגדלה בלוס אנג'לס שבקליפורניה, בתם של שאנון וילקוקס, שחקנית, וג'ון ויליאמס, מנתח פלסטי, ולה אח אחד ושני אחים חורגים. הוריה התגרשו כאשר הייתה בת 13. ויליאמס למדה בתיכון בוורלי הילס שבבוורלי הילס, שם לקחה שיעורי משחק והשתתפה בהפקות של בית הספר.

עוד בטרם מלאה לה שנה הופיעה ויליאמס בסרטוני פרסומת. לאחר לימודיה התיכוניים החלה לגלם תפקידים קטנים על המסך הקטן; וילאמס גילמה את חברתו של רוס בקומדיית המצבים של NBC "Day by Day" (1989) ואת דמותה של קייט ברודריק בסרט הטלוויזיה "A Woman Scorned: The Betty Broderick Story" (1992). את הופעתה הקולנועית הראשונה עשתה בסרט "There Goes My Baby" (1993) לצד השחקנים דרמוט מולרוני ונואה ויילי. ויליאמס הופיעה במחזה הקומי "Wrong Turn at Lungfish" לצד טוני דנזה וג'ורג' סי סקוט. ב-1996 השתתפה בסרט הפשע הטלוויזיוני של NBC "קול מהקבר", לצדם של רוברט נפר וג'ון קרול לינץ'.

ב-1997 עלתה למסכים סדרת הדרמה "הפרקליטים" של דייוויד אי קלי העוסקת בחייהם המקצועיים והאישיים של חבורת עורכי דין בבוסטון, שעוסקים בעיקר במשפט פלילי. ויליאמס גילמה את דמותה של לינדזי דול, עורכת דין ואחת הדמויות הראשיות. את התפקיד גילמה במשך שבע עונות (מתוך 8) ואיתו היא מזוהה יותר מכל. במהלך צילומי הסדרה עברה ויליאמס שלושה הריונות. ההיריון הראשון וההיריון השלישי הוסוו על ידי צוות ההפקה, אך ההיריון השני שולב בסדרה; לינדזי הייתה נשואה אז לשותף הבכיר במשרד, בובי דונל (גולם בידי דילן מקדרמוט) והתסריטאים כתבו עבור הדמות היריון שהסתיים בלידת בנם הבכור של דול ודונל.

ויליאמס הופיעה בתפקידי אורח בסרטים וסדרות טלוויזיה רבות; בין היתר בסדרות: "חוק וסדר" (1992 ו-2007) "שולחן לחמישה" (1994), "סודות העיר" (1996), "סקראבס" (2002), "מאורת האריות" (2003), "האק" (2003) ו"משמרת שלישית" (2005). ויליאמס כיכבה בסדרת הדרמה "חקירה רפואית" של NBC, שם גילמה את דמותה של ד"ר נטלי דוראנט (2004), ובסדרת הדרמה "שקר לי" של פוקס, שם היא מגלמת את דמותה של ד"ר ג'יליאן פוסטר (2009).

בשנת 2010 שיחקה בסרט "המרווח שבפנים" לצדה של מליסה לאו. בשנים 2012–2013 גילמה את ג'קי קלארק בסדרה "נשות קבע" לצד דרו פולר.

בשנת 2023 החלה לככב בסדרת הדרמה של NBC, "מצאתי" בתור מרגרט ריד.

ויליאמס הייתה במאית במגוון סדרות טלוויזיה, ביניהן הפרקליטים, משפחת פוסטר, צרות טובות, המתמחה, מכושפות ומגנוליות מופלאות.

ויליאמס דוברת אנגלית, צרפתית וספרדית. היא נשואה לבמאי והסופר אג'יי סאהגה (ממוצא הודי) ולהם שלושה ילדים.