विलियम्स का जन्म भारतीय माता-पिता के यहां ओहियो में हुआ था। बचपन से ही उन्हें विज्ञान और तकनीक में गहरी रुचि थी। उन्होंने नौसेना अकादमी से स्नातक की उपाधि प्राप्त की और नौसेना हेलीकॉप्टर पायलट के रूप में सेवा की।
2002 में, विलियम्स नासा की अंतरिक्ष यात्री प्रशिक्षण कक्षा में शामिल हुईं। उन्होंने अंतर्राष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन पर कई मिशन पूरे किए, जिसमें अंतरिक्ष में लगातार 195 दिन बिताने का रिकॉर्ड भी शामिल था।
अपने मिशन के दौरान, विलियम्स ने विभिन्न वैज्ञानिक प्रयोग किए, अंतरिक्ष चालन किया और अंतरिक्ष यान की मरम्मत की। वह अंतरिक्ष में सबसे लंबे समय तक रहने वाली महिला बनने के साथ-साथ अंतरिक्ष में सबसे लंबे समय तक रहने वाली अमेरिकी भी बनीं।
विलियम्स अंतरिक्ष में महिलाओं की भूमिका की प्रबल समर्थक हैं। उन्होंने युवा लड़कियों को विज्ञान, प्रौद्योगिकी, इंजीनियरिंग और गणित (STEM) क्षेत्रों में आगे बढ़ने के लिए प्रोत्साहित किया है। उनका मानना है कि अंतरिक्ष अन्वेषण मानवता के लिए सीमाओं को आगे बढ़ाने और प्रेरणा का स्रोत है।
विलियम्स के अंतरिक्ष यान के अनुभवों के बारे में कुछ खास बातें: