Au cinéma, elle joue son premier rôle, sans dialogue, dans la comédie dramatique L'Été indien (Indian Summer) en 1993. En 2006, elle joue en vedette dans la pièce Burleigh Grimes[1].
Ashley Williams est née de l'union d'un père journaliste indépendant dans le domaine médical et d'une mère qui a par la suite travaillé pour la fondation « The Michael J. Fox Foundation for Parkinson's Research », qui recueille des fonds pour la recherche sur la maladie de Parkinson. Elle est aussi la sœur cadette de l'actrice Kimberly Williams et belle-sœur du chanteur de musique country Brad Paisley[2].
En mai 2003, elle participe en tant qu'invitée vedette, à la production cinématographique Mes plus belles années, dans laquelle elle joue le rôle de la chanteuse Sandie Shaw interprétant un succès de 1964, There's Always Something There to Remind Me.
En 2006, elle monte sur les planches de Broadway dans la pièce Burleigh Grime[4],[5], et apparait pour la première fois dans la série How I Met Your Mother dans le rôle de Victoria, une pâtissière, qu'elle occupera de manière récurrente.
En 2010, elle figure dans l'adaptation télévisée de l'œuvre de Patricia Cornwell, le Trompe-l'œil (The Front), diffusée le 17 avril 2010[Où ?]. Elle est également élue la même année l'actrice préférée des fans de How I Met Your Mother, selon une enquête-web diligentée par les producteurs de la série, supplantant Cobie Smulders (Robin Scherbatsky)[6].
En 2011, elle partage avec Kate Hudson et Ginnifer Goodwin, l'affiche de Duo à trois (Something Borrowed), une adaptation pour le grand écran du roman d'Emily Giffin Duo à trois, et reprend son rôle de Victoria dans How I Met Your Mother.