நாசாவால் ஜூன் 1998 இல் தேர்ந்தெடுக்கப்பட்ட வில்லியம்ஸ் தனது பயிற்சியை ஆகஸ்டு 1998 இல் துவக்கினார். அவரது விண்வெளி வீரருக்கான பயிற்சியில், பழக்கமடைதல் விவரங்கள் மற்றும் விளக்கங்கள், ஏராளமான அறிவியல் மற்றும் தொழில்நுட்ப விளக்கங்கள், விண்வெளிக் கலம் மற்றும் விண்வெளி நிலைய அமைப்புகளில் செறிவான விளக்கங்கள், டி-38 விமான பயிற்சிக்கு தயாரிப்பு செய்யும் வகையிலான உடல்ரீதியான பயிற்சி மற்றும் தரை கல்வி, அத்துடன் நீர் மற்றும் இனம்புரியாத இடங்களில் உயிர்தப்பிக்கும் நுட்பங்களை கற்பது ஆகியவை அடக்கம்.மூன்று முறை நடந்து விண்வெளியில் அதிகமுறை நடந்திருக்கும் பெண் என்னும் சாதனையை காத்ரின் தார்ன்டன் செய்திருந்தார், அதனை இவர் முறியடித்தார். அதன்பின் அவரது சாதனையை முறியடித்து பெகி விட்சன் அதிக விண்வெளி நடை சாதனை பெண்ணாக ஆனார். பயிற்சி மற்றும் மதிப்பீடு காலத்தைத் தொடர்ந்து, வில்லியம்ஸ் மாஸ்கோவில் ரஷ்ய விண்வெளி அமைப்புடன் இணைந்து அவிநிக்கு ரஷ்யா பங்களிக்கும் பணியிலும், அவிநி க்கு அனுப்பப்பட்ட முதல் விண்வெளிப் பயண குழுவிலும் செயலாற்றினார். விண்வெளி பயணம் 1 முடிந்து திரும்பியதும், வில்லியம்ஸ் ISS ரோபாடிக் உறுப்பில் ரோபாடிக் கிளையிலும் அது தொடர்பான "சிறப்பு நோக்க லாவக மெனிபுலேட்டர்" (Special Purpose Dexterous Manipulator) இலும் பணிபுரிந்தார். நீமோ 2 திட்டத்தில் ஒரு குழு உறுப்பினரான அவர், மே 2002 இல் ஒன்பது நாட்களுக்கு நீர் வாழ்விடத்தில் நீருக்கடியில் வசித்தார்.

வில்லியம்ஸ் நாசாவின் விண்வெளி வீரர் அலுவலகத்தின் துணைத் தலைவராக (2008 இன் படி) பணியாற்றுகிறார்.

பல விண்வெளி வீரர்களைப் போல, வில்லியம்சும் ஒரு உரிமம் பெற்ற அமெச்சூர் ரேடியோ ஆபரேட்டர் ஆவார், 2001 இல் டெக்னிசியன் பிரிவு உரிமம் தேர்வில் தேர்ச்சி பெற்றார், பெடரல் தொடர்பு வாரியம் இவருக்கு அழைப்பு குறியீடு KD5PLB ஐ ஆகஸ்டு 13இல் வழங்கியது. ISS இல் இருந்த இரண்டு அமெச்சூர் வானொலி நிலையங்களில் ஒன்றைப் பயன்படுத்தி அவர் பள்ளிக் குழந்தைகளுடன் பேசினார்.

நாசா வாழ்க்கை
STS-117
கல்வி
2007 இந்திய பயணம்