Philadelphia 76ers (2005-2012)
Après des performances d’entraînement décevantes, Williams est tombé au deuxième tour de la draft et a finalement été choisi 45e au total par les Philadelphia 76ers. Williams a joué avec parcimonie en tant que recrue, avec une moyenne de 1,9 points et.3 passes décisives en 30 matchs.
La saison suivante, Williams est envoyé jouer pour les Flyers de Fort Worth de la NBA Development League le 28 novembre 2006. Après une bonne performance en D-League et des rumeurs d’échange entourant le meneur de jeu partant des 76ers, Allen Ion, Williams a été rappelé dans l’effectif des 76ers le 5 décembre.
Au cours de la saison 2007-08, Williams a obtenu une moyenne de 11,3 ppg, 3,2 apg et 2,0 rpg. À la fin de cette saison, Williams devient agent libre restreint et signe un contrat de cinq ans d’une valeur de 25 millions de dollars pour rester avec Philadelphie.
Dans le match 4 du premier tour des Playoffs de la Conférence Est 2011, Williams a frappé un but à trois points pour donner aux 76ers une victoire contre le Heat de Miami, 86-82. Cependant, les Sixers ont fini par perdre la série en cinq matchs.
Pour la saison 2011-2012, Williams a mené les 76ers au score avec 14,9 points par match, bien qu’il n’ait pas commencé un seul match. Il a été finaliste pour le prix du Sixième Homme de l’année de la NBA.
Hawks d’Atlanta (2012-2014)
Le 12 juillet 2012, Williams signe avec les Hawks d’Atlanta. Le 18 janvier 2013, contre les Nets de Brooklyn, Williams a atterri maladroitement sur son genou droit et a dû quitter le match en fauteuil roulant. Il a ensuite été révélé qu’il s’était déchiré le LCA et qu’il manquerait le reste de la saison.
Williams a raté les premiers matchs de la saison 2013-14 alors qu’il se remettait de sa blessure au genou. Il a fait ses débuts le 20 novembre 2013, marquant 6 points sur le banc. Le 14 décembre 2013, Williams a marqué un sommet de la saison de 27 points. Il termine la saison avec des moyennes de 10,4 points, 3,5 passes décisives et 2,1 rebonds.
Raptors de Toronto (2014-2015)
Le 30 juin 2014, Williams est échangé, avec les droits de draft de Lucas Nogueira, aux Raptors de Toronto en échange de John Salmons et d’un choix de deuxième tour en 2015. Le 22 novembre 2014, il marque 36 points dans la victoire 110-93 des Raptors sur les Cavaliers de Cleveland. Le 20 avril 2015, Williams est nommé Sixième Homme de l’année NBA 2015, devenant le premier membre des Raptors de Toronto à remporter ce prix.
Lakers de Los Angeles (2015-2017)
Le 9 juillet 2015, Williams a signé un contrat de trois ans et 21 millions de dollars avec les Lakers de Los Angeles. Il a fait ses débuts avec les Lakers lors de l’ouverture de la saison contre les Timberwolves du Minnesota le 28 octobre 2015, marquant 21 points sur le banc dans une défaite 112-111. Le 3 janvier 2016, il marque 30 points lors d’une victoire 97 à 77 contre les Suns de Phoenix. Cinq jours plus tard, il marque 23 de ses 44 points dans le quatrième quart-temps de la défaite 117-113 des Lakers face au Thunder d’Oklahoma City.
Le 3 décembre 2016, Williams a marqué un record de la saison de 40 points sur le banc lors d’une défaite 103-100 contre les Grizzlies de Memphis. Les 40 points de Williams ont été le plus marqué jamais par la réserve d’un adversaire contre Memphis, et il est devenu le premier joueur à marquer 40 points sur le banc depuis Jordan Crawford en avril 2014. Deux jours plus tard, il inscrit 38 points, six rebonds et sept passes décisives lors d’une défaite 107 à 101 contre le Jazz de l’Utah, mettant sur pied les premiers matchs consécutifs à 30 points de sa carrière NBA de 12 ans. Il est également devenu le premier joueur des Lakers à marquer au moins 38 points lors de matchs successifs depuis Kobe Bryant en mars 2013. En quatre matchs entre le 3 et le 9 décembre, Williams a marqué 137 points — la plus grande performance en quatre matchs d’un réserviste depuis que la NBA a commencé à suivre les départs en 1970.
Rockets de Houston (2017)
Le 23 février 2017, Williams est échangé aux Rockets de Houston en échange de Corey Brewer et d’un premier tour de draft 2017. Il fait ses débuts avec les Rockets ce soir-là, marquant 27 points avec sept à trois points sur le banc lors d’une victoire 129-99 sur les Pelicans de la Nouvelle-Orléans. Le 15 mars 2017, il marque 30 points dans une victoire 139-100 sur les Lakers.
Clippers de Los Angeles (2017-2021)
Le 28 juin 2017, les Clippers de Los Angeles ont acquis Williams, Patrick Beverley, Sam Dekker, Montrezl Harrell, Darrun Hilliard, DeAndre Liggins, Kyle Wiltjer et un choix de premier tour 2018 des Rockets de Houston en échange de Chris Paul. Le 27 novembre 2017, Williams marque 42 points lors d’une victoire 120 à 115 contre les Lakers de Los Angeles. Le 9 décembre 2017, il a réussi un tir à 3 points avec 1,2 seconde à faire, portant les Clippers à une victoire 113-112 sur les Wizards de Washington. Il a terminé avec 35 points pour mener un effort de banc dominant pour les Clippers. Le 31 décembre 2017, il marque 40 points sur le banc lors d’une victoire 106-98 sur les Hornets de Charlotte. Williams a ensuite été nommé Joueur de la Semaine de la Conférence Ouest pour les matchs joués du lundi 25 décembre au dimanche 31 décembre. Le 10 janvier 2018, il marque 27 de ses 50 points en carrière dans le troisième quart-temps de la victoire 125-106 des Clippers sur les Warriors de Golden State. Il a tiré 16 en 27 avec ses huit meilleurs tirs à 3 points en carrière et a réussi ses 10 lancers francs. Il s’agit du meilleur score de tous les Clipper en un seul match depuis que Charles Smith a égalé un record de franchise avec 52 points en décembre 1990. Williams a ensuite été nommé Joueur de la semaine de la Conférence Ouest pour les matchs joués du lundi 8 janvier au dimanche 14 janvier. Le 20 janvier 2018, il inscrit 31 points, un record de franchise de 10 vols, et sept passes décisives dans une défaite 125-113 contre le Jazz de l’Utah. Il est devenu le premier joueur de l’histoire de la ligue à atteindre 30 points, 10 vols et sept passes décisives dans un match depuis que les vols sont devenus une statistique enregistrée. Le 26 janvier 2018, il a marqué 40 points et égalé son record de la saison avec 10 passes décisives dans la victoire 109-100 des Clippers sur les Grizzlies de Memphis. Le 7 février 2018, il signe une prolongation de contrat de plusieurs années avec les Clippers. Le 23 février 2018, il a marqué 35 points en 33 minutes, dont un deuxième quart-temps de 23 points, dans une victoire 128-117 sur les Suns de Phoenix. Williams a atteint des sommets en carrière en points (22,6), en passes décisives (5,3) et en minutes (32,8) au cours de la saison 2017-2018. Son score de banc a mené la NBA à sa 13e saison. Il a ensuite été nommé Sixième homme de l’année de la NBA pour la deuxième fois de sa carrière.
Le 2 novembre 2018, Williams a marqué 23 de ses 28 points lors de la deuxième moitié de la victoire 120-95 des Clippers sur le magic d’Orlando. Les Clippers ont commencé la saison avec une fiche de 17-9 avant que Williams ne se blesse aux ischio-jambiers droits. Au cours des quatre matchs qu’il a manqués, les Clippers ont subi une série de quatre défaites. À son retour au jeu le 20 décembre, Williams a marqué 13 de ses 26 points dans le quatrième quart-temps de la victoire 125-121 des Clippers sur les Mavericks de Dallas. Le 28 décembre, il a marqué 36 points lors d’une victoire 118-107 contre les Lakers. Le 25 janvier 2019, il a enregistré son premier triple-double en carrière avec 31 points, 10 passes décisives et 10 rebonds dans une victoire 106-101 contre les Bulls de Chicago, rejoignant Detlef Schrempf (en 1993) comme le seul autre joueur de l’histoire de la NBA avec un triple double de 30 points sur le banc. Le premier triple-double de Williams a eu lieu à son 904e match en carrière — seul Zach Randolph à 974 matchs a enregistré son premier plus tard dans sa carrière. Le 2 février, il marque 39 points et aide les Clippers à combler un déficit de 25 points pour battre les Pistons de Detroit 111 à 101. Le 11 février, il marque un record de 45 points sur le banc lors d’une défaite 130-120 contre les Timberwolves du Minnesota. Le 13 février, il inscrit 30 points et 10 passes décisives en 22 minutes dans une victoire 134-107 contre les Suns, devenant le premier joueur de l’histoire de la NBA avec au moins 30 points et 10 passes décisives en moins de 23 minutes. Le 8 mars, il marque 40 points dans une victoire 118-110 sur le thunder d’Oklahoma City, dépassant ainsi Jamal Crawford pour le deuxième rang des points en carrière en NBA. C’était également le 28e match de sa carrière avec 30 matchs ou plus sur le banc, battant le record de 27 de Ricky Pierce. Le 11 mars, il est devenu le leader de la carrière de la NBA en termes de points sur le banc avec 34 points dans une victoire 140-115 sur les Celtics de Boston, dépassant ainsi Dell Curry (11 147). Le 17 mars, il marque 25 points et frappe un 28 pieds 3 points du haut de la touche au buzzer pour donner aux Clippers une victoire 119-116 sur les Nets de Brooklyn.
Le 15 avril 2019, Williams a inscrit 36 points et 11 passes décisives pour aider les Clippers à surmonter un déficit de 31 points – le plus grand retour de l’histoire des playoffs NBA — et à égaliser la série du premier tour à 1-1 contre les Warriors avec une victoire 135-131. Il est devenu seulement le deuxième joueur de banc de l’histoire de la NBA avec une performance de 30 points et 10 passes décisives en séries éliminatoires. Dans le match 5 de la série, il a 33 points et 10 passes décisives dans une victoire 129-121. Les Clippers ont ensuite perdu le match 6 pour s’incliner des séries éliminatoires. Lors de la soirée de remise des prix de fin de saison de la NBA, Williams a été nommé Sixième homme de l’année de la NBA, rejoignant Jamal Crawford comme le seul triple lauréat du prix.
Après avoir violé les règles de la bulle de la NBA, Williams a été obligé de s’asseoir sur les deux premiers matchs de la saison 2019-20 pour remplir ses exigences de quarantaine. Lors des Playoffs NBA 2020, il a lutté tout au long des séries éliminatoires avec des moyennes de 12,8 points et 4,2 passes décisives alors que les Clippers sont tombés en sept matchs contre les Nuggets de Denver tout en cédant une avance de 3-1 en demi-finale de la Conférence Ouest.
2e passage avec les Hawks d’Atlanta (2021 – présent)
Le 25 mars 2021, Williams, deux choix de deuxième tour et des considérations en espèces ont été échangés aux Hawks d’Atlanta en échange de Rajon Rondo.