Келли Рини Уильямс родилась 8 июня 1970 года в Лос-Анджелесе.

Ее родители, мать – актриса Шеннон Уилкокс и отец – пластический хирург Джон Уильямс развелись, когда Келли исполнилось 13 лет. У Келли Уильямс трое братьев, один родной и два сводных.

Свою актерскую карьеру она начала рано, практически после рождения, снявшись в рекламе подгузников.

Закончила среднюю школу в Беверли Хилл в 1988 году. Сниматься она стала сразу же после школы. Сначала это были телесериалы, но уже в 1994 году она получает серьезную роль в фильме «А вот и моя крошка». Известность и кинопремии ей принес телесериал «Практика», где она снялась в роли Линдсей Доул Донелл. Летом 2003 Уильямс ушла из сериала, где играла на протяжении семи лет. С тех пор она снималась в разных сериалах, как приглашенная звезда, а также сыграла в фильме «Бойфренд на Рождество» (2004) вместе со своей матерью Шеннон Уилкокс.

В 1996 году Келли Уильямс выходит замуж за американского писателя, режиссёра и продюсера Эйджея Сагала. У них три ребёнка. Келли забеременела своим 1м ребенком во время съемок второго сезона сериала «Практика». Беременность не была предусмотрена в сценарии, поэтому сценаристы решили дать ее героине работу по оформлению офиса правового отдела, что позволило прятать ее увеличивающийся живот за мебелью и картинами. Второй ребенок более удачно вписался в фильм, так как по сценарию ее героиня Линдси как раз вышла замуж.

В августе 2008 года Келли Уильямс предлагают роль доктора Джиллиан Фостер в телесериале компании «Фокс» «Обмани меня».