1992 року Вільямса прийняли до загону космонавтів Канадського космічного агентства. З 1995 року проходив підготовку до космічних польотів як фахівець польоту в NASA.
Давид Вільямс зробив один космічний політ, який відбувся з 17 квітня по 3 травня1998 року на шаттлі«Колумбія»STS-90. Вільямс брав участь в дослідженнях впливу невагомості на мозок і нервову систему людини. Політ продовжувався 15 діб 21 годину і 50 хвилин. Шаттл зробив 256 витків довкола Землі і здолав 6,3 мільйони миль. Давид Вільямс став сьомим громадянином Канади, що брав участь у космічному польоті.
.svg){kind=small}
