Michelle Ingrid Williams nació en Montana, Estados Unidos, el 9 de septimebre de 1980. Cuando Williams tenía nueve años, su familia se mudó a San Diego y se interesó por la actuación cuando aún era muy joven. Con quince años se graduó de secundaria y se emancipó de sus padres para perseguir una carrera como actriz. Fue con esa edad cuando pidió no seguir bajo la custodia de los mismos ya que desaprobaban que luchara por su sueño.
Cuando terminó el noveno grado en la Escuela, dejó de ir al colegio porque tuvo problemas con algunos compañeros, es por eso que los los años posteriores estudió en su hogar bajo la tutela de su madre y se graduó temprano. Williams comenzó su carrera en la década de 1990, haciendo apariciones especiales en programas de televisión como 'Los tuyos y los míos' y 'Mejorando la casa'. La actriz debutó en la película de aventura 'Lassie' estrenada en 1994 cuando tan solo tenía trece años. Más tare apareció en 'Species' en 1995 o en 'Time Masters'.
En la última mitad de la década de los 90, Michelle consiguió mucha popularidad al participar en la serie de televisión 'Dawnson Crece', dicho papel lo consiguió con 17 años cuando se mudó a Los Ángeles. Intervino también en telefilmes como 'Mi Hijo Es Inocente' (1997) o 'Lección a Mr. Griffin' (1997). Su primera producción convencional fue en la película 'Halloween H2O: Veinte años después' estrenada en 1998, que fue todo un éxito. Su primer papel protagonista lo consiguió en 'Dick' junto con Kirsten Dunst.
Apareció en la secuela de la película de HBO 'Mujer contra Mujer: Si las paredes hablasen 2'. A partir de entonces, la actriz comenzó a trabajar en películas independientes, que atrajeron a audiencias más pequeñas. En 2003 tuvo un papel en 'El crimen de Leland' al lado de Ryan Gosling y salió ese mismo año en 'Vías cruzadas'.
Después de que 'Dawson Crece' terminara en 2003, Williams admitió tener dificultades para encontrar los roles correctos. Ese mismo año, interpretó a Varya en una de las obras de Chéjov, 'El jardín de los cerezos' con Jessica Chastain y Linda Edmond en el Festival de Teatro de Williamstown. Otros de sus trabajos han sido en 'The Baxter' y 'Tierra de abundancia'. En el 2005 obtuvo el papel de Alma Del Mar en la película de Ang Lee, 'Brokeback Mountain', por el cual Williams ganó el reconocimiento público. La película recibió ocho nominaciones Oscar, incluyendo una nominación a mejor actriz de reparto para Michelle Williams. Fue en ese momento cuando comenzó a salir con el actor australiano Heath Ledger. En 2005, Williams dio a luz a su hija Matilda Rose Ledger.
Tras dar a luz a su hija regresó con 'The hawk is daying' en 2007 y con 'The hottest state', posteriormente ha participado en 'I'm Not There', película biografía de Bob Dylan. Hizo 'La lista' al lado de Ewan McGregor y Hugh Jakcman y volvió a coincidir con McGregor en 'Incendiary'. Entre medias falleció el padre de su hija después de una sobredosis, por lo que se convirtió en el foco de atención de los medios de comunicación, aunque ellos habían finalizado su relación en 2007. Después de la muerte de Ledger, en 2009, Williams comenzó a salir con el director Spike Jonze, pero se separaron un año más tarde.
Ha hecho 'Mamur', 'Shutter Island' con Leonardo DiCaprio y 'Blue Valentine' volviendo a coincidir con Ryan Gosling. En 2011 protagonizó 'Mi Semana con Marilyn' donde interpreta el papel protagónico como Marilyn Monroe, papel que se disputó junto con las actrices Kate Hudson, Scarlett Johansson y Amy Adams; y obtuvo una nominación para los Premios Óscar 2011 como Mejor Actriz.
Su siguiente actuación fue en 'Take This Waltz' (2011), y en la película de Walt Disney Pictures, 'Oz: el Poderoso'. En 2012 se anunció que Williams sería la protagonista de la adaptación de 'Suite française'. Después mantuvo una relación sentimental con Jason Segel, y en marzo de 2013 empezó a salir con Dustin Yellin pero rompieron al poco tiempo. Williams hizo su debut en Broadway en el reestreno de 'Cabaret', protagonizando como Sally Bowles en 2014.
