Williams maakte haar acteerdebuut in een niet-sprekende rol in het drama Indian Summer uit 1993, waarin ook haar zus Kimberly te zien was. Daarna speelde ze van 1994 tot 1996 de tiener Danielle Andropoulos in de soap As the World Turns.
Williams speelde een hoofdrol in de televisieserie Good Morning, Miami (2002-2004). Sindsdien was ze ook te zien in afleveringen van Psych, How I Met Your Mother, meerdere afleveringen van E-Ring, meerdere afleveringen van Huff, Law & Order: Special Victims Unit, meerdere afleveringen van Side Order of Life, The Mentalist, Monk, C.S.I., Royal Pains, meerdere afleveringen van Saving Grace, Love Bites, The Protector, Retired at 35, en meerdere afleveringen van Warehouse 13. Williams had ook een gastrol in American Dreams, waar ze zangeres Sandie Shaw speelde en Shaw’s hit uit 1964 “(There’s) Always Something There to Remind Me” uitvoerde op American Bandstand.
In 2007 speelde ze in het Off Broadway toneelstuk Burleigh Grime$ en verscheen als Victoria, een cupcake bakker, in zes afleveringen van de televisieserie How I Met Your Mother; een rol die ze in de laatste seizoenen van de show herhaalde.
In 2010 speelde ze in de made-for-TV Lifetime films, Patricia Cornwell’s The Front en At Risk, die op 17 april 2010 op de zender in première gingen. Ze won ook een online stro poll uitgevoerd door de How I Met Your Mother productiemedewerkers over welke ex-vriendin van Ted Mosby, de hoofdpersoon van de show, de favoriet van de fans is. Haar personage, Victoria, won met 128 tegen 117 van Robin Scherbatsky, met een aantal stemmen voor andere kandidaten.
In 2011 en 2012, speelde ze de rol van Claire in een verfilming van Something Borrowed tegenover Kate Hudson, John Krasinski, en haar college kamergenoot Ginnifer Goodwin, en ze hernam ook haar rol als Victoria in How I Met Your Mother.
Ze maakte haar Broadway-debuut in John Grisham’s A Time To Kill als rechtenstudente Ellen Roarke, op 28 september 2013, met de openingsavond op 20 oktober 2013. Ze werkte eerder op het Williamstown Theater Festival, en was ook de understudy voor zowel Rachel Weisz als Gretchen Mol tegenover Paul Rudd in de wereldpremière Off-Broadway productie van Neil LaBute’s toneelstuk The Shape of Things. Ze vertolkte beide vrouwelijke hoofdrollen meerdere keren tijdens de run.
In 2015 en 2016 speelde Williams als een gefictionaliseerde versie van komiek Jim Gaffigans echte vrouw in The Jim Gaffigan Show op Comedy central, een sitcom over een echtpaar dat hun vijf jonge kinderen opvoedt in een appartement met twee slaapkamers in New York City, waarin ook Michael Ian Black en Adam Goldberg de hoofdrollen vertolkten.