Williamsová debutovala v nemluvené roli v dramatu Indiánské léto z roku 1993, kde se objevila i její sestra Kimberly. Poté v letech 1994-1996 hrála dospívající Danielle Andropoulosovou v telenovele As the World Turns.
Williamsová hrála v televizním seriálu Dobré ráno, Miami (2002-2004). Od té doby se objevila také v epizodách seriálů Psych, Jak jsem poznal vaši matku, v několika epizodách E-Ringu, v několika epizodách seriálu Huff, Zákon &pořádku: Mentalista, Monk, C.S.I., Royal Pains, několik epizod seriálu Saving Grace, Love Bites, The Protector, Retired at 35 a několik epizod seriálu Warehouse 13. Williams také hostoval v seriálu American Dreams, kde hrál zpěvačku Sandie Shaw a v pořadu American Bandstand předvedl Shawův hit z roku 1964 „(There’s) Always Something There to Remind Me“.
V roce 2007 hrála v off-broadwayské hře Burleigh Grime$ a objevila se jako Victoria, pekařka dortíků, v šesti epizodách televizního seriálu Jak jsem poznal vaši matku; tuto roli si zopakovala v závěrečných sériích seriálu.
V roce 2010 hrála ve filmech natočených pro televizi Lifetime, Patricia Cornwell’s The Front a At Risk, které měly na tomto kanálu premiéru 17. dubna 2010. Zvítězila také v on-line slaměné anketě pořádané produkčním štábem seriálu Jak jsem poznal vaši matku o to, která bývalá přítelkyně Teda Mosbyho, hlavní postavy seriálu, je oblíbenkyní fanoušků. Její postava Victorie zvítězila v poměru 128 ku 117 hlasům nad Robin Scherbatsky, přičemž hlasy pro ostatní kandidáty byly smíšené.
V letech 2011 a 2012 si zahrála roli Claire ve filmové adaptaci filmu Something Borrowed po boku Kate Hudson, Johna Krasinskiho a své spolubydlící z vysoké školy Ginnifer Goodwin a také si zopakovala roli Victorie v seriálu Jak jsem poznal vaši matku.
Debutovala na Broadwayi ve hře Johna Grishama A Time To Kill v roli studentky práv Ellen Roarkeové, a to 28. září 2013, premiéra se konala 20. října 2013. Předtím působila na Williamstown Theater Festival a také jako dublérka Rachel Weisz i Gretchen Mol po boku Paula Rudda ve světové premiéře mimobroadwayské inscenace hry Neila LaButea The Shape of Things. Obě hlavní ženské role ztvárnila během představení několikrát.
V letech 2015 a 2016 Williamsová hrála fiktivní verzi skutečné manželky komika Jima Gaffigana v sitcomu The Jim Gaffigan Show na stanici Comedy central o manželském páru, který vychovává svých pět malých dětí v dvoupokojovém newyorském bytě, v němž si zahráli také Michael Ian Black a Adam Goldberg.