Nacida en Coshocton, Ohio, Estados Unidos, el padre de Williams era disc-jockey. Su familia se trasladó de Ohio a Los Ángeles en la década de 1960. Allí, Williams y sus tres hermanas, Margaret, Marte y Marlena, aparecieron en el programa de televisión Jack and Jill como «Las hermanas Williams». Más tarde, regresó a Ohio, pero decidió volver a Los Ángeles para lanzar una carrera en solitario. El antiguo miembro de Fifth Dimension, Ron Townson, incluyó a Williams en su banda Wild Honey. Tras esa etapa, Williams encontró trabajo como corista, trabajando con artistas como Chaka Khan, Gladys Knight, Sting, Stephanie Mills, Anita Baker y Gordon Lightfoot. Williams cantó en la versión original de «The Survivor» de Joe Sample, y conoció al productor David Crawford mientras trabajaba con su grupo Klique. Tras realizar trabajos de sesión, consiguió un contrato de grabación con A&M Records y su álbum de debut, Vesta, se publicó en 1986. El álbum incluyó su primer éxito en el Top 10 de R&B «Once Bitten, Twice Shy», que se convirtió en su único éxito en el Reino Unido y tuvo un rendimiento modesto en las listas de R&B de Estados Unidos.
Su lanzamiento de 1988, Vesta 4 U, produjo los éxitos en el Top 10 de R&B «Sweet Sweet Love», «4 U» y «Congratulations», llegando este último al número 55 en la lista Hot 100 y al número 5 en la lista de R&B. «Congratulations» fue el único sencillo de Vesta que entró en la lista Hot 100. También fue su álbum más exitoso y el único que apareció en el Billboard 200 de Estados Unidos, alcanzando el número 131. Hubo rumores persistentes de que la canción estaba inspirada en la disolución de su larga relación con Bruce Willis y que Demi Moore fue la responsable directa de ponerle fin. En 1991, Williams lanzó su tercer álbum, titulado Special, con la canción principal como single. «Special» se convirtió en su canción más popular en la lista de R&B con el número 2, pero las ventas del álbum fueron menores que las de Vesta 4 U. Su siguiente álbum, Everything-N-More de 1993, sólo produjo un éxito menor en R&B, «Always».
En 1989, Polygram Records compró A&M Records. El álbum de 1998 de Williams, Relationships, se publicó bajo el nombre de Polygram, y se convirtió en un modesto éxito de ventas, apareciendo en las listas de R&B. Tras el lanzamiento de Relationships, A&M/Polygram no renovó su contrato. Williams continuó trabajando como cantante de sesión, consiguiendo puestos en álbumes de artistas como Phil Perry, Howard Hewett y George Duke. Su voz podía ser escuchada por los oyentes de la radio en jingles para anunciantes como McDonald’s, Nike, Baskin-Robbins, Diet Coke, Revlon y Exxon. Ese mismo año, interpretó el tema de apertura de la miniserie de la ABC The Women of Brewster Place.
Williams interpretó a una cantante de salón en la película de 1993 Posse, dirigida por Mario Van Peebles. Durante este período tuvo un éxito con la canción de SWV, «Rain», grabada junto al músico de smooth jazz Norman Brown. Williams tuvo un papel recurrente como «Monica», la mejor amiga de Jackée Harry, en la serie de televisión Sister, Sister en la temporada 1998-99. Su voz aparece en el tema principal de la serie de UPN Malcolm and Eddie.
En el año 2000, Polygram lanzó un álbum recopilatorio con canciones de Williams y de la antigua artista de A&M CeCe Peniston. En 2007, Williams lanzó un álbum de canciones de R&B en Shanachie Records titulado Distant Lover. Producido por Chris «Big Dog» Davis, Distant Lover era un álbum de versiones con canciones grabadas originalmente por Bill Withers, Stevie Wonder, Smokey Robinson, Marvin Gaye, Sade y Deniece Williams.Su última grabación fue la canción «Dedicated», lanzada el 7 de diciembre de 2010 en Stimuli Music.
En 2002, Williams se había convertido en una personalidad de la radio, y era copresentadora de un programa matutino en KRNB en Dallas/Fort Worth. En los últimos años, Williams había perdido 45 kilos, pasando de la talla 26 a la 6. Fue en esta época cuando Williams se convirtió en defensora de la prevención de la obesidad infantil y la diabetes juvenil.
Su última actuación tuvo lugar el 17 de septiembre de 2011 en Portsmouth, Virginia, en el Autumn Jazz Explosion, sólo cinco días antes de su muerte.
Estaba previsto que actuara en la 21ª edición anual de «DIVAS Simply Singing!» en Los Ángeles el 22 de octubre de 2011. Shanice interpretó «Congratulations» durante el espectáculo como homenaje a Williams. También hubo un homenaje a la fallecida cantante Teena Marie. Williams estaba grabando un episodio de Unsung de TV One en el momento de su muerte. Se emitió el 2 de enero de 2012.