Мишель Ингрид Уилльямс родилась в городе Калиспелл, что в штате Монтана. Ее отец был трейдером, мама же занималась домашним хозяйством. Когда малышке было девять, семейство перебралось в Сан-Диего. Именно после смены места жительства в Мишель открылись актерские способности.
В 15 лет Мишель решила бросить школу и вплотную заняться карьерой. Вскоре ей дали роль в знаменитом сериале "Бухта Доусона". Еще до этого Мишель появлялась на экранах - например, в картинах "Лэсси", "Особь" и "Повелитель времени". Однако именно "Бухта Доусона" сделала актрису знаменитой.
Первой яркой ролью актрисы стала Молли Картвел из фильма "Хэллоуин: 20 лет спустя". На Мишель начали обращать внимание, стали предлагать ей более крупные и заметные роли. В 1999 году актриса сыграла главную роль в фильме "Неисправимые", а в 2001 году появилась в фильме "Нация прозака". Настоящая слава и признание пришло к актрисе после съемок в фильме "Горбатая гора" (2005). Роль в этой картине принесла актрисе номинации на "Золотой глобус" и премию "Оскар".
Фильм "Горбатая гора", имевший огромное значение для карьеры Мишель Уилльямс, стал поворотным моментом и в её личной жизни: на съёмочной площадке она познакомилась с актёром Хитом Леджером, который стал отцом её дочери Матильды. В начале 2008 года актер умер, употребив смертельную дозу несовместимых между собой лекарств. Мишель Уилльямс очень тяжело переживала его смерть, пережить трудные времена, по признанию самой актрисы, помогла маленькая Матильда.
В 2010-м Уилльямс, оправившись от трагедии, вернулась в кино. В сентябре состоялась премьера картины "Кратчайшая дорога Мика", также в 2010 году вышла лента Мартина Скорсезе "Остров проклятых", а в декабре - драма "Голубой Валентин". В данный момент Мишель снимается в роли Мэрилин Монро в байопике о жизни легендарного секс-символа ХХ-го века.