Michelle Ingrid Williams se narodila 9. září 1980 v Kalispellu, ve státě Montana. Její otec, Larry R. Williams, byl makléř a autor, zatímco matka Carla Ingrid (rozená Swenson) byla žena v domácnosti. Má dvě sestry a tři nevlastní sourozence z prvního manželství jejího otce. Když jí bylo devět let, rodina se přestěhovala do San Diega v Kalifornii. Už v raném věku projevovala zájem o herectví, a tak se v patnácti letech legálně osamostatnila, aby se mohla plně věnovat kariéře a snadněji cestovat na konkurzy, aniž by musela řešit povolení rodičů. Střední školu dokončila formou domácího vzdělávání.
Její herecká dráha začala menšími rolemi v televizi. Poprvé se objevila v epizodě seriálu „Pobřežní hlídka“ v roce 1993 a poté následovaly malé role ve filmech jako „Lassie“ (1994) nebo „Vražedné alibi“ (1995). Skutečný průlom však přišel v roce 1998, kdy byla obsazena do role Jen Lindley v úspěšném teenagerském seriálu „Dawsonův svět“ (Dawson’s Creek). Tato role ji katapultovala mezi mladé hvězdy a získala si celosvětovou popularitu. V seriálu, který se odehrával ve fiktivním městě Capeside a sledoval životy čtyř dospívajících přátel, ztvárnila dívku s problematickou minulostí, která se snaží najít své místo ve světě. V „Dawsonově světě“ působila po celých pět let, až do jeho závěrečné šesté sezóny v roce 2003. Během natáčení seriálu se objevila i v dalších filmech, například v hororu „Halloween H20: 20 Years Later“ (1998) nebo v komediích „Příležitostné známosti“ (1999) a „Prozac Nation“ (2001).
Po skončení „Dawsonova světa“ se Michelle Williams cíleně zaměřila na nezávislé a umělecky náročnější filmové projekty, aby se vymanila z image dospívající hvězdy. Její snaha se začala vyplácet a brzy si získala uznání kritiků za své role ve filmech jako „The Station Agent“ (2003) a „Imaginary Heroes“ (2004). Klíčovým okamžikem v její kariéře se stal rok 2005, kdy si zahrála roli Almy Beers del Mar ve filmu „Zkrocená hora“ (Brokeback Mountain). Ve filmu režiséra Anga Leeho ztvárnila manželku kovboje Ennise del Mara, kterého hrál Heath Ledger, a jejich společné scény byly plné hlubokých emocí a zranitelnosti. Za tuto roli získala svou první nominaci na Oscara v kategorii Nejlepší herečka ve vedlejší roli a také nominaci na Zlatý glóbus a cenu BAFTA. Během natáčení „Zkrocené hory“ se seznámila s Heathem Ledgerem a brzy se z nich stal pár. V říjnu 2005 se jim narodila dcera, Matilda Rose Ledger. Jejich vztah byl sledován médii, ale snažili se udržet si soukromí. Jejich štěstí však bylo tragicky přerušeno v lednu 2008, kdy Heath Ledger nečekaně zemřel. Tato událost měla na Michelle hluboký dopad a na nějakou dobu se stáhla z veřejného života, aby se mohla věnovat výchově dcery a vyrovnat se se ztrátou.
Navzdory osobní tragédii se Michelle Williams vrátila k herectví a pokračovala ve výběru náročných a oceňovaných rolí. V roce 2008 excelovala v nezávislém dramatu „Wendy a Lucy“ (Wendy and Lucy), kde ztvárnila mladou ženu, která se ocitne bez domova. Za svůj výkon získala další uznání kritiků. V roce 2010 si zahrála po boku Ryana Goslinga v emocionálně intenzivním dramatu „Blue Valentine“, kde ztvárnila manželku, jejíž vztah se rozpadá. Tato role jí vynesla druhou nominaci na Oscara, tentokrát v kategorii Nejlepší herečka v hlavní roli, a také nominaci na Zlatý glóbus. Následující rok, v roce 2011, ztvárnila ikonickou roli Marilyn Monroe ve filmu „Marilyn“ (My Week with Marilyn). Její ztvárnění křehké a zranitelné hvězdy bylo všeobecně chváleno a přineslo jí Zlatý glóbus za nejlepší herečku v komedii nebo muzikálu a třetí nominaci na Oscara v kategorii Nejlepší herečka v hlavní roli. V roce 2013 se objevila v mainstreamovém hitu „Oz: The Great and Powerful“ jako Glinda, Dobrá čarodějnice.
V roce 2016 se Michelle Williams znovu dostala do centra pozornosti díky své roli ve filmu „Místo u moře“ (Manchester by the Sea). Ztvárnila Randy, bývalou manželku hlavního hrdiny, jejíž emocionálně nabitá scéna s Casey Affleckem patřila k vrcholům filmu. Za tuto roli získala svou čtvrtou nominaci na Oscara, opět v kategorii Nejlepší herečka ve vedlejší roli. V roce 2017 se objevila ve filmu Ridleyho Scotta „Všechny prachy světa“ (All the Money in the World), kde byla součástí kontroverzního přeobsazení role kvůli obviněním proti Kevinovi Spaceymu. Následovala role v komiksovém filmu „Venom“ (2018) po boku Toma Hardyho, ke které se vrátila i v pokračování „Venom: Let There Be Carnage“ (2021). V roce 2019 se vrátila k televizi s velkým úspěchem v minisérii „Fosse/Verdon“, kde ztvárnila tanečnici a herečku Gwen Verdon. Její výkon byl kritikou nadšeně přijat a vynesl jí cenu Emmy za nejlepší herečku v hlavní roli v minisérii nebo televizním filmu a Zlatý glóbus ve stejné kategorii.
V osobním životě se Michelle Williams po tragické ztrátě Heatha Ledgera znovu provdala. V roce 2018 se provdala za hudebníka Phila Elveruma, ale jejich manželství skončilo rozvodem v roce 2019. V roce 2020 se provdala za divadelního režiséra Thomase Kaila a v červnu téhož roku se jim narodil syn Hart. V roce 2022 přivítali své druhé společné dítě. V roce 2022 si zahrála v semi-autobiografickém filmu Stevena Spielberga „Fabelmanovi“ (The Fabelmans), kde ztvárnila postavu inspirovanou Spielbergovou matkou. Za tento výkon obdržela svou pátou nominaci na Oscara, tentokrát v kategorii Nejlepší herečka v hlavní roli. Kromě filmové a televizní práce se Michelle Williams občas věnuje i divadlu, například se objevila na Broadwayi v inscenacích jako „Cabaret“ a „Blackbird“, za které získala nominace na cenu Tony.