Williams fik sin skuespillerdebut i en ikke-talende rolle i dramaet Indian Summer fra 1993, hvor også hendes søster Kimberly medvirkede. Derefter spillede hun fra 1994 til 1996 teenageren Danielle Andropoulos i sæbeoperaen As the World Turns.
Williams medvirkede i tv-serien Good Morning, Miami (2002-2004). Siden da har hun også medvirket i episoder af Psych, How I Met Your Mother, flere episoder af E-Ring, flere episoder af Huff, Law & Order: Special Victims Unit, flere episoder af Side Order of Life, The Mentalist, Monk, C.S.I., Royal Pains, flere episoder af Saving Grace, Love Bites, The Protector, Retired at 35, og flere episoder af Warehouse 13. Williams havde også en gæstespillerrolle i American Dreams, hvor hun spillede sangerinden Sandie Shaw og optrådte med Shaws hit fra 1964 “(There’s) Always Something There to Remind Me” på American Bandstand.
I 2007 medvirkede hun i Off Broadway-stykket Burleigh Grime$ og optrådte som Victoria, en cupcake-bager, i seks afsnit af tv-serien How I Met Your Mother; en rolle hun gentog i de afsluttende sæsoner af serien.
I 2010 medvirkede hun i de tv-producerede Lifetime-film, Patricia Cornwell’s The Front og At Risk, som havde premiere på kanalen den 17. april 2010. Hun vandt også en online-strømafstemning, som blev foretaget af How I Met Your Mother-produktionspersonalet om, hvilken ekskæreste til Ted Mosby, seriens hovedperson, der er fansenes favorit. Hendes karakter, Victoria, vandt 128 mod 117 over Robin Scherbatsky, med en smule stemmer til andre kandidater.
I 2011 og 2012 spillede hun rollen som Claire i en filmatisering af Something Borrowed over for Kate Hudson, John Krasinski og hendes collegekammerat Ginnifer Goodwin, og hun genoptog også sin rolle som Victoria i How I Met Your Mother.
Hun debuterede på Broadway i John Grishams A Time To Kill med rollen som den jurastuderende Ellen Roarke, den 28. september 2013, med premiere den 20. oktober 2013. Hun havde tidligere arbejdet på Williamstown Theater Festival, og hun havde også arbejdet som vikar for både Rachel Weisz og Gretchen Mol over for Paul Rudd i den verdenspremiere Off-Broadway-produktion af Neil LaButes skuespil The Shape of Things. Hun spillede begge de kvindelige hovedroller flere gange i løbet af produktionen.
I 2015 og 2016 spillede Williams hovedrollen som en fiktionaliseret udgave af komikeren Jim Gaffigans virkelige kone i The Jim Gaffigan Show på Comedy central, en sitcom om et par, der opdrager deres fem små børn i en toværelses lejlighed i New York City, som også havde Michael Ian Black og Adam Goldberg i hovedrollerne.