જૂન 1998માં નાસા (NASA) () દ્વારા પસંદગી પામેલા વિલિયમ્સે ઓગસ્ટ 1998માં તાલિમ લેવાની શરૂઆત કરી.અવકાશ ક્ષેત્રની વિદ્યાર્થી તરીકેની તેની તાલિમમાં વિષયની ઝીણવટભરી સમજ અને પ્રવાસ, સંખ્યાબંધ વૈજ્ઞાનિક અને તકનીકી સમજ, શટલ અને આંતરરાષ્ટ્રીય અવકાશ મથકની પદ્ધતિઓના વિસ્તૃત આલેખનો, શારિરીક અને માનસિક તાલિમ અને ટી-38 () ફ્લાઇટ તાલિમ માટેની તૈયારી તેમજ પાણી અને મુશ્કેલ સ્થિતીમાંથી પોતાની જાતને બચાવવાની તકનીકોનો સમાવેશ થાય છે.તેઓ સ્ત્રી તરીકે સૌથી વધુ અવકાશ પ્રવાસ કરીને કેથરિન થોર્ન્ટનના () ત્રણ વાર અવકાશ પ્રવાસથી આગળ વધી ગયા હતા.પાછળથી પેગી વ્હીટ્સન () સૌથી વધુ અવકાશ યાત્રા કરી તેમને વટાવી ગયા હતા.તાલિમ અને મૂલ્યાંકના સમયગાળા બાદ વિલિયમ્સ આઇએસએસ પર કામ કરી રહેલા રશિયન સ્પેશ એજન્સી () સાથે મોસ્કોમાં () અને આઇએસએસ પર મોકલવામાં આવેલી પ્રથમ ટૂકડી સાથે કાર્ય કરતા હતા. પ્રથમ અભિયાન () પરત ફર્યા બાદ વિલિયમ્સે આઇએસએસ રોબોટિક વિભાગની () રોબોટિક શાખા અને તેને સંબંધિત સ્પેશિયલ પર્પઝ ડેક્ષ્ટરોઝ મેનિપ્યુલેટર () સાથે કાર્ય કરતા હતા.તેઓ મે 2002માં નવ દિવસ માટે પાણીની અંદર એક્વેરિયસના નિવાસસ્થાનમાં નવ દિવસ સુધી રહેલા નીમો 2ની () ટૂકડીના સભ્ય હતા.

વિલિયમ્સે નાસા (NASA)ની એસ્ટ્રોનોટ ઓફિસના ડેપ્યુટી વડા તરીકે સેવાઓ આપી હતી. ().

વિલિયમ્સ અન્ય ઘણા અવકાશયાત્રીઓની જેમ પરવાના ધરાવતા એમેટર રેડિયો ઓપરેટર હતા અને 2001માં તેમણે ટેક્નીશિયન ક્લાસ લાઇસન્સ એક્ઝામ પાસ કરી હતી તથા 13 ઓગસ્ટ (), 2001ના () રોજ તેમને ફેડરલ કોમ્યુનિકેશન્સ કમિશન દ્વારા કોલ સાઇન કેડી5પીએલબી (KD5PLB)આપવામાં આવ્યું હતું.તેમણે આઇએસએસ અભિયાન સમયે બે વખત એમટર રેડિયો સ્ટેશનનો ઉપયોગ કર્યો હતો જ્યારે તેમણે શાળાના વિદ્યાર્થીઓ સાથે વાત કરી હતી.

નાસા(NASA)માં કારકિર્દી
અભિયાન 14 અને 15
એસટીએસ (STS)-117
વ્યક્તિગત