미셸 윌리엄스의 본명은 미셸 잉그리드 윌리엄스로 미국 몬타나주의 칼리스펠 출신이다. 몬타나주의 작은 시골 마을에서 자라는 그녀는 영화와 TV 드라마의 단역, 조연으로 출연하다 인기 TV 시리즈 <도슨의 청춘일기>에서 젠 역을 맡으며 인기를 끌기 시작했다.

2003년 미셸 윌리엄스는 선댄스 영화제에서 관객상을 수상한 미라맥스 필름의 <스테이션 에이전트>에서 에밀리 역을 맡았으며, 산드라 골드바허의 <미 위다웃 유>에서 안나 프릴의 상대역으로 출연해 평론가들의 열렬한 찬사를 이끌어 냈다. 그녀는 곧 작가이자 감독인 리차드 리즈의 인디 코미디 <홀 인 원>에 출연하였는데, 이어서 2004년엔 토론토 영화제 프리미어 출품작인 댄 해리스의 <상상 속의 영웅들>을 찍고, 베니스 영화제와 토론토 영화제 프리미어 상영작인 빔 벤더스의 <랜드 오브 플렌티>, 로맨틱 코미디인 <박스터>에 출연했으며 히스 레저와 제이크 질렌홀의 상대역으로 2005년 베니스 영화제 대상 수상작인 이안 감독의 <브로크백 마운틴>에 출연해 영화에서 만난 배우 히스 레저와 결혼해 딸 마틸다 레저를 낳았으나 2007년 헤어졌다.
＜이토록 뜨거운 순간＞, ＜아임 낫 데어＞,＜시네도키, 뉴욕＞,＜웬디와 루시＞, ＜괴물들이 사는 나라＞등 흥행성보다는 작품성을 염두에 둔 영화에 많이 출연하는 헐리우드의 대표적인 연기파 배우이다.