Michelle Williams, pe numele complet Michelle Ingrid Williams, s-a născut la 9 septembrie 1980, în Kalispell, Montana, SUA. Este fiica lui Larry R. Williams, politician și comerciant, și a Carlei, casnică. Are ascendență norvegiană, iar familia ei a trăit în Montana de generații. Tatăl său a candidat de două ori, fără succes, la Senatul Statelor Unite din partea Partidului Republican. În copilărie a locuit în Kalispell alături de trei frați vitregi paterni și de sora ei mai mică, Paige. Deși și-a descris familia drept „nu foarte strâns unită”, a avut o relație apropiată cu tatăl ei, care a încurajat-o să citească mult și a învățat-o să pescuiască și să tragă. La vârsta de nouă ani, familia s-a mutat în San Diego, California.
Interesul pentru actorie a apărut devreme, după ce a văzut o producție locală din Aventurile lui Tom Sawyer. A cântat într-o montare de amatori a musicalului Annie, iar părinții au început să o ducă din San Diego la Los Angeles pentru audiții. Prima apariție pe ecran a avut-o în 1993, într-un episod din serialul Baywatch, urmată de debutul cinematografic din Lassie (1994). Au urmat roluri în sitcomurile Step by Step și Home Improvement și apariția ca versiune copil a personajului Sil în filmul science-fiction Species (1995).
Până în 1995, absolvise clasa a noua la Santa Fe Christian Schools din San Diego. Pentru a se dedica actoriei, a părăsit școala și a trecut la studiu la domiciliu. La 15 ani, cu acordul părinților, a cerut emanciparea legală, finalizând liceul prin corespondență în nouă luni. Ulterior, a regretat lipsa unei educații tradiționale. După emancipare, s-a mutat singură în Los Angeles, la Burbank, întreținându-se din roluri în filme și reclame cu buget redus. A apărut în producții de televiziune precum My Son Is Innocent (1996) și Killing Mr. Griffin (1997), precum și în filmele A Thousand Acres (1997) și But I’m a Cheerleader (1999). În 1997, nemulțumită de tipul de roluri primite, a co-scris scenariul Blink, care, deși vândut unei companii de producție, nu a fost realizat.
În 1998 a obținut rolul lui Jen Lindley în serialul Dawson’s Creek, difuzat pe WB între 1998 și 2003, unul dintre cele mai de succes programe ale postului. În paralel, a apărut în Halloween H20: 20 Years Later (1998) și Dick (1999). Vara anului 1999 a petrecut-o pe scenă, jucând în piesa off-Broadway Killer Joe. La televiziune, a jucat alături de Chloë Sevigny în filmul HBO If These Walls Could Talk 2 (2000), bine primit de critici.
La începutul anilor 2000, Williams a apărut în filme precum Me Without You (2001), Imaginary Heroes, A Hole in One și The Baxter. A revenit pe scenă cu Smelling a Rat de Mike Leigh și a jucat rolul Varva în Livada cu vișini de Cehov, la Festivalul de Teatru de la Williamstown, primind cronici elogioase. În 2003 s-a mutat la New York și a avut roluri secundare în The United States of Leland și The Station Agent. Pentru The Station Agent, distribuția a primit în 2004 o nominalizare la Premiul Screen Actors Guild pentru interpretare de ansamblu, filmul fiind anterior recompensat cu Premiul Publicului la Sundance și cu un premiu BAFTA.
În 2004 a apărut în Land of Plenty, filmul lui Wim Wenders aflat în competiția Festivalului de Film de la Veneția, unde a câștigat Premiul UNESCO, și pentru care Williams a fost nominalizată la Independent Spirit Award. A jucat apoi în Brokeback Mountain (2005), regizat de Ang Lee, interpretând-o pe Alma, rol care i-a adus o nominalizare la Premiul Oscar pentru cea mai bună actriță în rol secundar. În timpul filmărilor a început o relație cu Heath Ledger; cei doi au locuit în Brooklyn, iar în 2005 s-a născut fiica lor, Matilda.
În 2006 a apărut în The Hawk Is Dying, iar ulterior în The Hottest State și I’m Not There (2007). A urmat rolul din Deception (2008), precum și o serie de apariții remarcate în filme independente și de studio, printre care Wendy and Lucy (2008), Blue Valentine (2010), Shutter Island (2010), Oz the Great and Powerful (2013), Manchester by the Sea (2016), The Greatest Showman (2017), All the Money in the World (2017), Venom (2018), Venom: Let There Be Carnage (2021) și The Fabelmans (2022), pentru care a primit o nominalizare la Oscar în 2023, la categoria cea mai bună actriță în rol principal.
Pe Broadway, a jucat în Cabaret (2014) și Blackbird (2016), obținând o nominalizare la Premiul Tony. A câștigat două Globuri de Aur pentru interpretarea lui Marilyn Monroe în My Week with Marilyn (2011), un premiu Primetime Emmy pentru rolul Gwen Verdon din miniseria Fosse/Verdon (2019) și Globul de Aur în 2026 pentru cea mai bună actriță într-o miniserie sau film TV, pentru Dying for Sex. De-a lungul carierei a acumulat cinci nominalizări la Oscar și o nominalizare la Tony.
În viața personală, Michelle Williams a fost partenera lui Heath Ledger între 2004 și 2007. A fost căsătorită cu muzicianul Phil Elverum între 2018 și 2019, iar din 2020 este căsătorită cu regizorul și producătorul Thomas Kail. Împreună au doi copii.
