מפורסמת בסגנונה הנגיש לכול ובדמויותיה מעוררות ההזדהות. בין השאר כתבה סדרה של ספרים וסיפורים העוסקים במעבדת המסע בזמן באוניברסיטת אוקספורד העתידית. בין יצירות אלה נכללים "ספר יום הדין", "מלבד הכלב" והסיפור הקצר "משמרת האש", כולם זוכי פרסים.
עבודתה הראשונה של ויליס שזכתה לפרסום היא "The Secret of Santa Titicaca" (בתרגום חופשי: הסוד של סנטה טיטיקאקה), סיפור שפורסם במגזין Worlds of Fantasy בדצמבר 1970[3]. היא זכתה למועמדות הראשונה שלה לפרס הוגו בשנת 1979 על הסיפור הקצר "Daisy, in the Sun".[4]
הרומן הראשון שלה שפורסם, "Water Witch" (תרגום חופשי: מכשפת מים; נכתב בשיתוף עם סינתיה פליס), פורסם בשנת 1982.[3] בשנה זו קיבלה מענק מה-National Endowment for the Arts, סוכנות עצמאית של הממשלה הפדרלית המסייעת ל"מצוינות אמנותית", ואז עזבה את משרת ההוראה שלה והפכה לסופרת במשרה מלאה[5].
ויליס מרבה להשתמש בהומור ביצירתה, ומכוונת את חיציה בדרך כלל כלפי אנשים שטופי אמונות טפלות או בעלי תפיסות חברתיות נוקשות וחסרות הגיון. פעמים רבות היא מטילה את דמויותיה לתוך מציאות כאוטית, לצורך יצירת מצבים קומיים ולשם הנעת העלילה. במקרים רבים גיבוריה ספריה הם מדענים מתחומי מדעי הטבע או החברה. בין השאר ניתן למצוא בספריה ביקורת על ביטויים מסוימים של תקינות פוליטית, ציטוטים רבים מיצירות ספרותיות אהובות עליה, ופעמים רבות גם דמות של ילד נבון ורב-תושייה המבין דברים שנעלמים מעיני חלק מהמבוגרים.
יצירותיה של ויליס מתאפיינות בתחקיר מקיף ובריבוי פרטים מדעיים, היסטוריים וספרותיים ואף פריטי טריוויה, כגון אופנות לאורך השנים (בספרה "המשכוכית"), רומנים למשרתות ("מלבד הכלב"), אסונות מפורסמים ("מעבר") ועוד. התקופות ההיסטוריות החביבות עליה בסיפורי המסע בזמן שהיא כותבת הן בראש ובראשונה תקופת הבליץ בבריטניה, שבה עסקה ארוכות בסיפור הקצר "משמרת האש" כמו גם ברומן "Blackout/All Clear" ולאחריה התקופה הוויקטוריאנית, שאותה היא מתארת בהרחבה בספרה הקומי "מלבד הכלב".
סגנונה משויך בדרך כלל לסוגת "המדע הבדיוני הרך" או "המדע הבדיוני החברתי", שבו המדע הוא רק אחד מהמנועים העלילתיים ואינה עומד בהכרח במרכז. הדגש שלה, לפיכך, אינו על המדע אלא על ההשפעה שלו על העולם החברתי והסמלי ועל הדמויות. ספריה עוסקים בין השאר בפסיכולוגיה ("מעבר"), בקולנוע ובמקומו כחלק מתעשיית התרבות ("Remake"), בשאלות של מגדר וזהות ("ארץ לא נודעת"), ובשאלות של דטרמיניזם היסטורי ("מלבד הכלב", Blackout/All Clear).
The Soul Selects Her Own Society: Invasion and Repulsion: A Chronological Reinterpretation of Two of Emily Dickinson's Poems: A Wellsian Perspective (סיפור קצר, 1997)
"ארץ לא נודעת": אוסף סיפורים הכולל שלושה סיפורים: הנובלה "ארץ לא נודעת" מגוללת את סיפורם של צמד חוקרי/ממפי-עולמות וחושף את הצדדים הפחות רומנטיים בעבודתם; "משמרת אש" עוסק, בדומה ל"ספר יום הדין" ו"מלבד הכלב", במסע בזמן, לתקופת הבליץ; "אפילו המלכה" הוא סיפור קצר הנוגע לנשיות.
"ספר יום הדין", "מלבד הכלב", הנובלטה "משמרת אש" והרומן "Blackout/All Clear" עוסקים במסע בזמן ויש בהם כמה דמויות משותפות, אך אינם מקושרים מבחינה עלילתית ושונים מאוד באופיים.
