Народилась у місті Каліспелл (штат Монтана, США)[6] в сім'ї домогосподарки Карли Свенсон та трейдера Ларрі Вільямса[7][8]. Має норвезькі корені[9]. Коли їй було 9, сім'я переїхала до Сан-Дієго, й дівчинка стала цікавитись акторським мистецтвом.
Улітку 2004 року в Канаді на зйомках фільму «Горбата гора» Вільямс познайомилась з актором Гітом Леджером, з яким прожила три роки[10][11]. 28 жовтня 2005 року народила дочку Матильду Роуз Леджер[11]. У вересні 2007 року пара оголосила про розлучення[12]. У 2008—2009 роках зустрічалася з американським кінорежисером, продюсером та актором Спайком Джонзом[13]; з актором Джейсоном Сігелом[14] розійшлася на початку лютого 2013 року[15][16]. У 2018 році Вільямс одружилася з музикантом Філом Елверумом (англ.Phil Elverum), учасником гуртів The Microphones та Mount Eerie. У 2019 році пара розлучилася.
У березні 2020 року вагітна Вільямс таємно одружилася з режисером Томасом Кайлом (англ.Thomas Kail), з яким познайомилася на зйомках серіалу «Фосс / Вердон». У червні народила дитину.[17]
Кар'єра
У 15 років Мішель покинула школу, щоб розпочати акторську кар'єру в серіалі «Затока Доусона». Перед цим вона виконала невеликі ролі в фільмах «Особина» і «Лессі»[18].
2008 року роботи над проєктами Вільямс були призупинені через смерть Гіта Леджера.
На початку 2010 року в прокат вийшов фільм Скорсезе«Острів проклятих», де Вільямс зіграла померлу дружину пацієнта психіатричної лікарні маршала США Ендрю Леддіса (Леонардо ДіКапріо)[19]. У 2011 році знову була номінована на «Оскар» і «Золотий глобус» як найкраща акторка за роль у фільмі «Валентинка».