Το όνομά της έγινε ευρύτερα γνωστό διεθνώς όταν, μαζί με τον συνάδελφό της Butch Wilmore, παρέμεινε για εννέα μήνες στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό, εξαιτίας διαδοχικών τεχνικών προβλημάτων που ανέβαλαν επανειλημμένα την επιστροφή τους στη Γη. Η παρατεταμένη παραμονή τους στο Διάστημα προκάλεσε έντονο ενδιαφέρον, καθώς η NASA χρειάστηκε να επανεξετάσει πρωτόκολλα ασφαλείας, χρονοδιαγράμματα αποστολών και διαδικασίες ελέγχου, προκειμένου να διασφαλιστεί η ασφαλής ολοκλήρωση της επιχείρησης.

Κατά τη μακρόχρονη καριέρα της, η Williams συμμετείχε σε κρίσιμες αποστολές και σε απαιτητικά προγράμματα εκπαίδευσης, συμβάλλοντας ουσιαστικά στην εξέλιξη των επανδρωμένων πτήσεων. Στο ενεργητικό της καταγράφεται και ένα ιδιαίτερα σημαντικό ρεκόρ: έχει συμπληρώσει συνολικά 62 ώρες διαστημικών περιπάτων, σε εννέα εξόδους εκτός σταθμού, αριθμός που την κατατάσσει ανάμεσα στους πλέον έμπειρους αστροναύτες στον συγκεκριμένο τομέα.

Η πολύμηνη παραμονή της στον Σταθμό οδήγησε στη σύνταξη αναλυτικών τεχνικών εκθέσεων και προτάσεων για βελτίωση των διαδικασιών, με στόχο την ενίσχυση της ασφάλειας σε μελλοντικές αποστολές. Τα δεδομένα που συλλέχθηκαν αξιοποιούνται ήδη σε εκπαιδευτικά προγράμματα, προσομοιώσεις και εσωτερικές αξιολογήσεις της υπηρεσίας.

Σύμφωνα με την επίσημη ανακοίνωση της NASA, η αποχώρησή της θα γίνει σταδιακά, με μεταβίβαση αρμοδιοτήτων και ολοκλήρωση της τεχνικής τεκμηρίωσης τους επόμενους μήνες. Το πλήρες αρχείο της 27ετούς πορείας της θα ενταχθεί στα ιστορικά και διοικητικά αρχεία του οργανισμού, αποτελώντας σημείο αναφοράς για τη μελέτη της λειτουργίας του Διεθνούς Διαστημικού Σταθμού και των εμπειριών που προέκυψαν από μία από τις πιο απαιτητικές περιόδους της σύγχρονης διαστημικής δραστηριότητας.