Мишель Ингрид Уильямс родилась 9 сентября 1980 года в Калиспелле, штат Монтана, в семье ныне разведённых домохозяйки Карлы Ингрид Свенсон и биржевого трейдера Ларри Ричарда Уильямса. Она имеет норвежские корни со стороны матери. Мишель росла вместе с тремя единокровными братьями и сёстрами от первого брака отца, а также с младшей сестрой Пейдж. Когда ей было девять лет, семья переехала в Сан-Диего.
Уильямс заинтересовалась актёрством после просмотра театральной постановки «Приключения Тома Сойера».