Przygodę z aktorstwem rozpoczęła w 1993 roku występem w jednym z odcinków "Słonecznego Patrolu". Później zagrała u boku Richarda Farnswortha w kolejnej wersji filmu dla dzieci "Lassie". Przełomem w jej karierze okazał się rola Jennifer Lindley w serialu "Jezioro marzeń", dzięki której stała się jedną z najpopularniejszych aktorek młodego pokolenia.
W 2006 za drugoplanową rolę w filmie "Tajemnica Brokeback Mountain" Michelle została nominowana do Oscara i Złotego Globu. Po tym sukcesie aktorka starannie dobierała role filmowe i ciągle rozwijała swój talent. Zaowocowało to, kilka lat później, kolejną nominacją. Pierwszoplanowa rola Cindy w filmie "Blue Valentine" zachwyciła krytyków i widzów.
Heatha Ledgera poznała na planie filmu Tajemnice Brokeback Mountain. W 2005 roku urodziła się im córeczka Matylda. Związek jednak nie przetrwał i para się rozstała.
Michelle Williams była załamana, kiedy dowiedziała się o śmierci ukochanego. Twierdziła, że często nawiedzał ją duch zmarłego chłopaka.
Aktorka obecnie spotyka się z reżyserem Spike'em Jonze'em, z którym wychowuje córkę Matyldę
Aktorka zagra rolę legendarnej gwiazdy kina Marilyn Monroe w filmie "My Week with Marilyn". Będzie to zapis zaledwie tygodnia z życia gwiazdy. Specjalnie na potrzeby nowej roli przefarbowała włosy na platynowy blond. Może Michelle tym razem zdobędzie wymarzonego Oskara? W końcu Akademia lubi przyznawać statuetki za odważne, wymagające metamorfozy role. Czego najlepszym przykładem jest tragicznie zmarły ojciec jej dziecka.