威廉絲於1987年從美國海軍官校畢業，1998年經由太空人甄選進入NASA。即便如此，她仍保留海軍身分，並於2017年晉升為上校。
在她服務的27年間，總計登上國際太空站（ISS）三次，一共在宇宙待了608天。同時威廉絲也保留女性太空人在宇宙行走的最長紀錄，總計進行9次，共62小時，更是世界第四長，並曾在2012年完成「太空鐵人三項」。
2024年，她最後一次執行任務時，與搭檔搭乘波音公司的太空船前往ISS，原定一週後就會返航，卻在抵達ISS後發現機體出現故障。
當時NASA考慮兩人安全，於是決定讓未載人的太空船先行返航，之後才送新的SpaceX太空船回到ISS接人，威廉絲與搭檔終於在2025年3月18日回到地球，總計在宇宙待了286天。
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