1998 ಜೂನ್‌ರಲ್ಲಿ ನಾಸಾಕ್ಕೆ ಆಯ್ಕ್ರೆಯಾದ ವಿಲಿಯಮ್ಸ್‌ ಅವರಿಗೆ ಆಗಸ್ಟ್ 1998ರಲ್ಲಿ ತರಬೇತಿ ಪ್ರಾರಂಭವಾಯಿತು. ಅವರ ಗಗನಯಾನಿ ತರಬೇತಿಯು ಅಭಿಶಿಕ್ಷಣ ಉಪನ್ಯಾಸಗಳು ಮತ್ತು ಪ್ರವಾಸಗಳು, ಹಲವಾರು ತಾಂತ್ರಿಕ ಮತ್ತು ವೈಜ್ಞಾನಿಕ ಉಪನ್ಯಾಸಗಳು, ಅಂತರಾಷ್ಟ್ರೀಯ ಬಾಹ್ಯಾಕಾಶ ನಿಲ್ದಾಣ ಮತ್ತು ಗಗನ ನೌಕೆಯ ಕುರಿತಾದ ಗಹನ ಪರಿಚಯ, ಮನೋದೈಹಿಕ ತರಬೇತಿ ಮತ್ತು T-38 ವಿಮಾನಕ್ಕಾಗಿನ ಮೂಲ ತರಬೇತಿ, ಅಷ್ಟೇ ಅಲ್ಲದೆ ನೀರಿನಿಂದ ಹಾಗೂ ಕಾಡಿನಲ್ಲಿನ ಅಪಘಾತಗಳಿಂದ ರಕ್ಷಿಸಿಕೊಳ್ಳುವ ತರಬೇತಿಯನ್ನು ಒಳಗೊಂಡಿತ್ತು. ಮೂರು ಬಾರಿ ಗಗನ ನಡಿಗೆಯನ್ನು ಯಶಸ್ವಿಯಾಗಿ ಪೂರೈಸಿ, ಅತಿ ಹೆಚ್ಚು ಗಗನ ನಡಿಗೆ ಕೈಗೊಂಡ ಕ್ಯಾಥರಿನ್ ಥೊರಂಟಾನ್‌ರನ್ನು ವಿಲಿಯಮ್ಸ್ ಮೀರಿಸಿದ್ದರು. ನಂತರ ಪೆಗ್ಗಿ ವಿಟ್ಸ್‌ನ್ ವಿಲಿಯಮ್ಸ್ ರ ದಾಖಲೆಯನ್ನು ಮುರಿದರು. ಕಠಿಣ ತರಬೇತಿಯ ಮತ್ತು ಮೌಲ್ಯಮಾಪನ ನಂತರದಲ್ಲಿ ವಿಲಿಯಮ್ಸ್ ಮಾಸ್ಕೋದ ರಷ್ಯನ್ ಸ್ಪೇಸ್ ಎಜೆನ್ಸಿಯ ಜೊತೆಗೆ ISSಗೆ ರಷ್ಯಾದ ಕೊಡುಗೆಗಳ ಕುರಿತಾಗಿ ಕೆಲಸ ಮಾಡಿದರು. ಅಲ್ಲದೆ ಇವರು ISSಗೆ ಕಳುಹಿಸಿದ ಪ್ರಪ್ರಥಮ ಗಗನ ಯಾತ್ರಿ ತಂಡದ ಜೊತೆ ಕೂಡ ಕೆಲಸ ಮಾಡಿದರು. ಎಕ್ಸ್‌ಪೆಡಿಷನ್ 1ನ ನಂತರದಲ್ಲಿ ವಿಲಿಯಮ್ಸ್‌ ರೊಬೊಟಿಕ್ಸ್ ಬ್ರಾಂಚ್‌ನ ISS ರೊಬೊಟಿಕ್ ಆರ್ಮ್ ಮತ್ತು ಅದಕ್ಕೆ ಸಂಬಂಧಿಸಿದ ಸ್ಪೆಷಲ್ ಪರ್ಪಸ್ ಡೆಕ್ಸ್‌ಟೆರಿಯಸ್ ಮ್ಯಾನಿಪುಲೇಟರ್ ಕುರಿತಾಗಿ ಕೆಲಸ ಮಾಡಿದರು. 
ಅವರು NEEMO 2 ಮಿಷನ್‌ನಲ್ಲಿದ್ದ ತಂಡದ ಸದಸ್ಯರಾಗಿದ್ದರು. ಈ ಮಿಷನ್‌ನಲ್ಲಿ ಅವರು ಉಳಿದವರ ಜೊತೆಗೆ ಮೇ 2002ರಲ್ಲಿ ಒಂಬತ್ತು ದಿನಗಳಕಾಲ ನೀರಿನೊಳಗೆ ಅಕ್ವೇರಿಯಸ್ ಹ್ಯಾಬಿಟೇಟ್‌ನಲ್ಲಿ ವಾಸವಿದ್ದರು. 
೨೦೦೮ ರಿಂದ ,ನಾಸಾದ ಗಗನಯಾತ್ರಿಗಳ ಕಚೇರಿಯ ಡೆಪ್ಯುಟಿ ಚೀಫ್ಆಗಿ ವಿಲಿಯಮ್ಸ್ ಕಾರ್ಯನಿರ್ವಹಿಸುತ್ತಿದ್ದಾರೆ. 
ಎಲ್ಲ ಗಗನಯಾತ್ರಿಗಳಂತೆ ವಿಲಿಯಮ್ಸ್ ಕೂಡ ಪರವಾನಗಿ ಪಡೆದಿರುವ ಹವ್ಯಾಸಿ ರೆಡಿಯೋ ಆಪರೇಟರ್ ಆಗಿದ್ದಾರೆ. 2001ರಲ್ಲಿ ಇವರು ಟೆಕ್ನಿಷಿಯನ್ ಕ್ಲಾಸ್ ಲೈಸೆನ್ಸ್ ಪರೀಕ್ಷೆಯನ್ನು ಪಾಸು ಮಾಡಿದ್ದು ಫೆಡರಲ್ ಕಮ್ಯುನಿಕೇಷನ್ ಕಮಿಷನ್‌ನಿಂದ ಆಗಸ್ಟ್ 13ರ 2001ರಲ್ಲಿ KD5PLB ರೆಡಿಯೊ ಕರೆ ಗುರುತನ್ನು ಪಡೆದಿದ್ದಾರೆ. ISSನಿಂದ ವಿಲಿಯಮ್ಸ್ ಅವರು ಅಲ್ಲಿಯ ಎರಡು ರೇಡಿಯೋಗಳಲ್ಲಿ ಒಂದನ್ನು ಬಳಸಿ ಶಾಲಾವಿದ್ಯಾರ್ಥಿಗಳ ಜೊತೆ ಮಾತನಾಡಿದ್ದರು.

ನಾಸಾದಲ್ಲಿ ವೃತ್ತಿ
STS-116
STS-117
ಎಕ್ಸ್‌ಪೆಡಿಷನ್ಸ್‌ 14 ಮತ್ತು 15