Per le sue interpretazioni Michelle Williams è considerata una delle attrici più ricercate e rispettate di Hollywood, nonché vincitrice di un Golden Globe Award e di tre nomination agli Oscar®. Nel 2011, nel ruolo di Marilyn Monroe in MARILYN, diretto da Simon Curtis, ha ottenuto la sua terza candidatura all'Oscar®, nonché menzioni ai BAFTA e agli Screen Actors Guild Awards, oltre ad aver vinto ai Golden Globe e Independent Spirit Award.
Precedentemente la Williams ha recitato in BLUE VALENTINE di Derek Cianfrance per il quale ha ottenuto una nomination agli Oscar® come Migliore Attrice nonché ai Golden Globe, Broadcast Film Critics Association e Independent Spirit Award. Il personaggio da lei interpretato nel film I SEGRETI DI BROKEBACK MOUNTAIN di Ang Lee, le è valso varie candidature tra cui Independent Spirit Award, SAG, ai Golden Globe, BAFTA, Broadcast Film Critics Association, nonché una nomination all'Oscar® come Miglior Attrice Non Protagonista. È stata anche nominata per un Independent Spirit Award come Migliore Attrice per la sua interpretazione in LA TERRA DELL'ABBONDANZA di Wim Wenders.
I suoi altri crediti cinematografici includono: IL GRANDE E POTENTE OZ di Sam Raimi; SHUTTER ISLAND di Martin Scorsese; SENZA APPARENTE MOTIVO di Sharon Maguire; SYNECDOCHE, NEW YORK di Charlie Kaufman; IO NON SONO QUI di Todd Haynes; L'AMORE GIOVANE di Ethan Hawke; THE STATION AGENT di Thomas McCarthy; ME WITHOUT YOU di Sandra Goldbacher; LE RAGAZZE DELLA CASA BIANCA di Andrew Fleming.