Williams è nato e cresciuto a New York City, figlio dell'architetto Tod Williams e di una ballerina, ha studiato pittura e letteratura al Bard College e alla Columbia University prima di trovare lavoro come redattore per il New York Times. Successivamente, ha frequentato l' American Film Institute.

Esordi
Esordisce alla regia nel 1994 con The Adventures of Sebastian Cole, la storia di un ragazzo che deve fare i conti con il cambio di sesso del padre. Dopo un lungo periodo in cui si dedica ad altro, nel 2004 dirige Kim Basinger, Elle Fanning e uno straordinario Jeff Bridges nel dramma The Door in the Floor, in cui un uomo e una donna devono fare i conti con la perdita dei figli adolescenti. Il 27 marzo 2010, è stato scelto per dirigere Paranormal Activity 2, mentre nel 2016 dirige Cell, adattamento cinematografico di un romanzo di Stephen King.

Vita privata
Williams è stato sposato con l'attrice Famke Janssen dal 1995 al 2000. Dopodiché di è risposato con l'attrice Gretchen Mol nel giugno 2004. I due hanno due figli: Tolomeo John Williams, nato il 10 settembre 2007 e Winter Morgan Williams, nata il 17 febbraio 2011.