Née à Coshocton, Ohio, États-Unis, le père de Williams était disc-jockey. Sa famille a quitté l’Ohio pour Los Angeles dans les années 1960. Pendant cette période, Williams et ses trois sœurs, Margaret, Marte et Marlena, sont apparues dans l’émission de télévision Jack and Jill sous le nom de « The Williams Sisters ». Plus tard, elle est retournée dans l’Ohio mais a décidé de retourner à Los Angeles afin de lancer une carrière solo. L’ancien membre de Fifth Dimension, Ron Townson, a placé Williams dans son groupe Wild Honey. Après ce passage, Williams a trouvé du travail comme choriste, travaillant avec des artistes tels que Chaka Khan, Gladys Knight, Sting, Stephanie Mills, Anita Baker et Gordon Lightfoot. Williams a chanté sur la version originale de « The Survivor » de Joe Sample, et a rencontré le producteur David Crawford en travaillant avec son groupe Klique. Après avoir fait des séances de travail, elle a décroché un contrat d’enregistrement avec A&M Records et son premier album, Vesta, est sorti en 1986. L’album contient son premier succès au Top 10 R&B « Once Bitten, Twice Shy », qui devient son seul succès au Royaume-Uni et se classe modestement dans les classements R&B américains.
Son album de 1988, Vesta 4 U, produit les succès au Top 10 R&B « Sweet Sweet Love », « 4 U » et « Congratulations », ce dernier atteignant la 55e place du classement Hot 100 et la 5e place du classement R&B. « Congratulations » est le seul single de Vesta à entrer dans le classement Hot 100. L’album est également son plus grand succès, et son seul album à figurer dans le Billboard 200 américain, atteignant la 131e place. Des rumeurs persistantes prétendent que la chanson a été inspirée par la dissolution de sa relation de longue date avec Bruce Willis et que Demi Moore était directement responsable de la fin de cette relation. En 1991, Williams a sorti son troisième album intitulé Special, avec la chanson titre comme single. « Special » devient sa chanson la plus élevée au classement R&B, à la deuxième place, mais les ventes de l’album sont inférieures à celles de Vesta 4 U. Son album suivant, Everything-N-More de 1993, ne produit qu’un petit succès R&B, « Always ».
En 1989, Polygram Records achète A&M Records. L’album Relationships de Williams, paru en 1998 sous le nom de Polygram, est devenu un vendeur modeste, apparaissant dans les classements R&B. Après la sortie de Relationships, A&M/Polygram n’a pas renouvelé son contrat. Williams continue à travailler en tant que chanteuse de session, décrochant des places sur les albums d’artistes tels que Phil Perry, Howard Hewett et George Duke. Les auditeurs de la radio entendent sa voix dans des jingles pour des annonceurs tels que McDonald’s, Nike, Baskin-Robbins, Diet Coke, Revlon et Exxon. La même année, elle a interprété le thème d’ouverture de la mini-série d’ABC, The Women of Brewster Place.
Williams a interprété une chanteuse de saloon dans le film Posse de 1993, réalisé par Mario Van Peebles. Durant cette période, elle a connu un succès avec la chanson SWV, « Rain », enregistrée aux côtés du musicien de smooth jazz Norman Brown. Williams a eu un rôle récurrent de « Monica », la meilleure amie de Jackée Harry, dans la série télévisée Sister, Sister au cours de la saison 1998-99. Sa voix est présente dans la chanson thème de la série Malcolm and Eddie de UPN.
En 2000, Polygram a publié un album de compilation, comprenant des chansons de Williams et de l’ancienne artiste A&M CeCe Peniston. En 2007, Williams a publié un album de chansons R&B sur Shanachie Records intitulé Distant Lover. Produit par Chris « Big Dog » Davis, Distant Lover était un album de reprises comprenant des chansons enregistrées à l’origine par Bill Withers, Stevie Wonder, Smokey Robinson, Marvin Gaye, Sade et Deniece Williams.Son dernier enregistrement était la chanson « Dedicated », sortie le 7 décembre 2010 sur Stimuli Music.
En 2002, Williams était devenue une personnalité de la radio, et coanimait une émission matinale sur KRNB à Dallas/Fort Worth. Au cours des dernières années, Williams avait perdu 100 livres, passant de la taille 26 à la taille 6. C’est à cette époque que Williams est devenu un défenseur de la prévention de l’obésité infantile et du diabète juvénile.
Sa dernière performance a eu lieu le 17 septembre 2011 à Portsmouth, en Virginie, à l’Autumn Jazz Explosion, juste cinq jours avant sa mort.
Il était prévu qu’elle se produise à la 21e édition annuelle de « DIVAS Simply Singing ! » à Los Angeles le 22 octobre 2011. Shanice a interprété « Congratulations » pendant le spectacle en hommage à Williams. Il y avait également un hommage à la défunte chanteuse Teena Marie. Williams enregistrait un épisode de TV One’s Unsung au moment de sa mort. Il a été diffusé le 2 janvier 2012.