Es hija del cirujano plástico John Williams y de la actriz Shannon Wilcox. Sus padres se divorciaron cuando tenía 13 años.^[2]​ Tiene un hermano y dos hermanastros.

Obtuvo su primer carné del Screen Actors Guild antes de su primer cumpleaños cuando apareció en un anuncio de pañales. Igualmente de niña apareció en otros comerciales. Recibió su educación primaria en el Lycée Français y se graduó en el Beverly Hills High School en 1988.^[2]​

En el instituto participó activamente en el departamento de actuación. Tras participar junto a Steve Burton en una producción escolar de Romeo y Julieta, fue fichada por un agente.

Su primera aparición en una película como protagonista fue en Destape en la universidad (1990).^[1]​ Más tarde su primera aparición cinematográfica fue en There Goes My Baby (1994). En ese mismo año, también interpretó a Jennifer Stolpa en la película para la televisión Snowbound: The Jim and Jennifer Stolpa Story. Apareció en 1996 en el decimonoveno episodio de la cuarta y última temporada de la serie de televisión Picket Fences como una mujer amish que ha sido violada. También participó en el exitoso drama juvenil de la Fox Party of Five, en su primera temporada de 1994, como Annie Alcott.

En 1997 tuvo su papel más destacado es como Lindsay Dole en la serie de David E. Kelley The Practice (El abogado), que interpretó hasta 2003.^[3]​ También ha tenido apariciones de invitada en Scrubs, The Lyon's Den y Hack.

En el 2004 protagonizó junto a Patrick Muldoon y Charles Durning Un novio por Navidad ( A boyfriend for Christmas ), dirigida por Kevin Connor, una comedia romántica navideña para la televisión de gran éxito. Apareció como la doctora Natalie Durant en la serie de la cadena NBC Medical Investigation, que comenzó en Estados Unidos en 2004 y fue cancelada en su episodio 20. En 2008 interpretó a una bióloga que naufraga en la serie Men in Trees. En 2009 comenzó en la serie de televisión Lie to Me, donde interpreta a la psicóloga Gillian Foster.

En abril de 2011, apareció en la serie de televisión Criminal Minds, donde interpretó a Shelley Chamberlain. En octubre de 2011 interpretó a Elizabeth Flint en la serie de la CBS The Mentalist.

En 1996 se casó con Ajay Sahgal y se divorció de él en 2017.^[1]​ Tuvo con él tres hijos.^[2]​ Se llaman Kiran Ram 1998), Sarame Jane (2001) y Ravi Lyndon (2003).^[4]​ La actriz habla español y francés, y es hermana de Sean Doyle.

• Christmas Solo (2017)
• Any Day Now (2012)
• The Space Between (2010)
• It's a Shame About Ray (2000)
• Kismet (1999)
• E=mc2 (1996)
• There Goes My Baby (1994)
• Mr. Jones (1993)
• Zapped Again! (1990)

• Kelli Williams en Internet Movie Database (en inglés).