Williams gjorde sin skådespelardebut i en icke talande roll i dramat Indian Summer från 1993, där även hennes syster Kimberly medverkade. Hon tillbringade sedan 1994-1996 med att spela tonåriga Danielle Andropoulos i såpoperan As the World Turns.
Williams spelade huvudrollen i tv-serien Good Morning, Miami (2002-2004). Sedan dess har hon också medverkat i avsnitt av Psych, How I Met Your Mother, flera avsnitt av E-Ring, flera avsnitt av Huff, Law & Order: Special Victims Unit, flera avsnitt av Side Order of Life, The Mentalist, Monk, C.S.I., Royal Pains, flera avsnitt av Saving Grace, Love Bites, The Protector, Retired at 35 och flera avsnitt av Warehouse 13. Williams hade också en gästroll i American Dreams, där hon spelade sångerskan Sandie Shaw och framförde Shaws hit från 1964 ”(There’s) Always Something There to Remind Me” på American Bandstand.
År 2007 spelade hon huvudrollen i Off Broadway-pjäsen Burleigh Grime$ och uppträdde som Victoria, en muffinsbagare, i sex avsnitt av tv-serien How I Met Your Mother; en roll som hon återupptog i de avslutande säsongerna av serien.
År 2010 spelade hon huvudrollen i de TV-producerade Lifetime-filmerna Patricia Cornwell’s The Front och At Risk, som hade premiär på kanalen den 17 april 2010. Hon vann också en online-omröstning som genomfördes av produktionspersonalen för How I Met Your Mother om vilken före detta flickvän till Ted Mosby, seriens huvudperson, som är fansens favorit. Hennes karaktär, Victoria, vann med 128 röster mot 117 över Robin Scherbatsky, med en del röster till andra kandidater.
Under 2011 och 2012 spelade hon rollen som Claire i en filmatisering av Something Borrowed tillsammans med Kate Hudson, John Krasinski och hennes collegekamrat Ginnifer Goodwin, och hon återupptog också sin roll som Victoria i How I Met Your Mother.
Hon debuterade på Broadway i John Grishams A Time To Kill med rollen som juriststudenten Ellen Roarke, den 28 september 2013, med premiär den 20 oktober 2013. Hon hade tidigare arbetat vid Williamstown Theater Festival och även arbetat som inhoppare för både Rachel Weisz och Gretchen Mol mittemot Paul Rudd i världspremiären Off-Broadway-produktionen av Neil LaButes pjäs The Shape of Things. Hon spelade båda kvinnliga huvudrollerna flera gånger under produktionen.
Under 2015 och 2016 spelade Williams huvudrollen som en fiktionaliserad version av komikern Jim Gaffigans riktiga fru i The Jim Gaffigan Show på Comedy central, en sitcom om ett par som uppfostrar sina fem små barn i en tvårumslägenhet i New York City, där även Michael Ian Black och Adam Goldberg medverkade.