Родилась в Лос-Анджелесе в семье актрисы Шэннон Уилкокс и пластического хирурга Джона Уильямса. Её родители развелись, когда ей было 13 лет. У неё один родной брат и два брата, родившиеся в новых семьях родителей.
Впервые на экране Келли Уильямс появилась почти сразу же после рождения — в рекламе подгузников. В детстве посещала школу, входящую во всемирную сеть французских лицеев (). Впоследствии закончила среднюю школу в Беверли-Хиллс (1988).
Сразу после школы стала активно сниматься в различных телесериалах. Первую серьёзную роль получила в фильме «А вот и моя крошка» (1994). Наибольшую известность (и несколько номинаций на различные кинопремии) ей принесла роль Линдсей Доул Доннелл в телесериале ABC «Практика».
В августе 2008 года Келли Уильямс была отобрана на роль доктора Джиллиан Фостер в новом телесериале канала «Fox» «Обмани меня».
Замужем (с 1996 года) за американским писателем и режиссёром и продюсером канадского происхождения Аджаем Сахгалом (). У них три ребёнка: Kiran Ram (род. 1998), Sarame Jane (род. 2001) и Ravi Lyndon (род. 2003).