Восхождение по карьерной лестнице актриса продолжила, сыграв второстепенные роли в телевизионных проектах «Мой сын невиновен» в 1996 году и «Проучить мистера Гриффина» в 1997-м. В 1998 году Мишель предстала в разноплановых по жанру, но заметных проектах: она начала сниматься в роли Джен Линдли в популярном молодежном сериале «Бухта Доусона» (в русском переводе «Лето наших надежд») и исполнила роль Молли в фильме ужасов «Хэллоуин: 20 лет спустя». В следующем году вместе c Кирстен Данст Мишель появилась в комедийном проекте «Подруги президента», повествующем о скандальной истории, связанной с отставкой президента США Никсона. В этом же году Уильямс играет более серьезную роль — Кимберли в картине «Неисправимые». После съемок продолжения телевизионного фильма «Если бы стены могли говорить 2» (в 2000 году) актрису чаще всего можно было увидеть в независимых проектах. Так, в 2001 году Уильямс предстала в британской драме Сандры Голдбахер «С тобой и без тебя». Это увлекательная история, рассказывающая о непростых отношениях двух закадычных подруг на протяжении целых тридцати лет. Затем последовал автобиографический фильм «Нация прозака» о выпускнице Гарварда Элизабет Вурцель, ее борьбе с депрессией и творческим кризисом.
В этой картине Мишель исполнила роль Руби, главную же героиню сыграла Кристина Риччи. В 2003 году Уильямс появляется в двух драматических лентах — «Соединенные штаты Лиланда» и в конце этого же года в картине Томаса МакКарти «Станционный смотритель». Вместе с исполнителями ведущих ролей Бобби Каннавале и Патрицией Кларксон Уильямс была номинирована на премию Гильдии киноактеров. В этом же году Мишель закончила съемки в проекте «Бухта Доусона». Последующие роли актрисы также были связаны с проектами в стиле арт-хаус: в 2004 и 2005 годах она участвовала в лентах «Вымышленные герои», «Земля изобилия». За роль в последней Уильямс была номинирована на награду «Независимый дух». Громким проектом 2005 года стал фильм «Горбатая гора», роль в котором принесла актрисе номинации на две престижные награды — «Оскар» и «Золотой глобус». В течение последующих двух лет в карьере Мишель наметилась пауза. Актриса вернулась на экраны в 2007 году, сыграв подругу главного героя в фильме «Ястреб умирает».
Затем последовала небольшая роль в фильме «Меня там нет» о жизни легендарного музыканта Боба Дилана. В апреле 2008-го состоялась премьера картины «Список контактов» с Эваном МакГрегором и Хью Джекманом в главных ролях. Уильямс исполнила роль соблазнительной блондинки под именем «S». Позднее актриса снова встретилась с МакГрегором на съемочной площадке, на этот раз в проекте «Провокатор» о последствиях теракта, произошедшего во время футбольного матча. В 2008 году Уильямс появилась в режиссерском дебюте известного сценариста Чарли Кауфмана «Нью-Йорк, Нью-Йорк». Кауфман отметил актрису после ее работы в картине «Подруги президента». Первый фильм, где Чарли выступил как режиссер превзошел все ожидания и, несмотря на небольшие кассовые сборы, получил высокую оценку критиков. Следующим успешным для Уильямс проектом стала картина «Венди и Люси», за роль в которой актриса была номинирована на премию «Независимый дух» за лучшую женскую роль. В 2010 году Мишель предстала в двух значимых проектах – психологическом триллере Мартина Скорсезе «Остров проклятых», снятом по нашумевшей книге Денниса Лихейна и драме Дерека Кьянфранса (в мировом прокате – «Blue Valentine»).
В 2011 году за исполнение роли Синди в этом фильме актриса была номинирована на тринадцать наград, в том числе «Золотой глобус» и «Оскар». 2011 год принес Уильямс еще одну яркую и запоминающуюся роль – Мэрилин Монро в картине. Среди претенденток на роль в этом фильме были Скарлетт Йоханссон, Кейт Хадсон и Эми Адамс. Поначалу актриса думала отказаться от предложения, ведь воплотить на экране легенду Голливуда более чем непросто. Мишель справилась блестяще и получила в начале 2012 года свой первый за эту работу. В 2011 году стало известно, что Уильямс примет участие в съемках фантазийного фильма. Фильмография «Бухта Доусона» (1998 – 2003 гг.) «Нью-Йорк, Нью-Йорк» (2008 год)
