Serīna Viljamsa ir uzvarējusi 23 Grand Slam vienspēļu turnīros, kas ir rekords mūsdienu sieviešu tenisā. Triumfējusi visos Grand Slam turnīros ne tikai vienspēlēs, bet arī dubultspēlēs.

S. Viljamsa  sāka spēlēt tenisu četru gadu vecumā, viņu, tāpat kā par diviem gadiem vecāko māsu Vīnusu Viljamsu (Venus Ebony Starr Williams), bērnībā trenēja vecāki – Orasīna Praisa (Oracene Price) un Ričards Viljamss (Richard Williams). Tēvam piederēja apsardzes firma, māte strādāja par medmāsu.

1990. gadā vecāki pārcēlās uz Palmbīču Floridā, S. Viljamsa kopā ar māsu sāka trenēties Rika Maki (Rick Macci) tenisa akadēmijā. Tēvs R. Viljams pats bija kļuvis par treneri (autodidaktu), studējot video un lasot grāmatas par tenisu. S. Viljamsa  jaunībā turnīros spēlēja maz, jo tēvs par galveno uzskatīja mācības. R. Viljamss ļoti sāpīgi uztvēra rasismu, kas vēl šad tad bija jūtams tenisa apritē. 1995. gadā tēvs izņēma meitas no R. Maki akadēmijas un atkal trenēja viņas viens pats.

Debija profesionālajās sacensībās S. Viljamsai bija 14 gadu vecumā 1995. gada oktobrī Kvebekā ar wild card uzaicinājumu, kvalifikācijas pirmajā kārtā zaudējot 18 gadus vecajai amerikānietei Enijai Millerei (Anie Miller). 1996. gadā S. Viljamsa nespēlēja turnīros, nākamā gada sākumā trīsreiz zaudēja kvalifikācijā, līdz pirmā uzvara pamatturnīrā tika izcīnīta 1997. gada novembrī Čikāgā. S. Viljamsa tobrīd bija 304. pasaules reitingā, bet uzvarēja septīto labāko Mēriju Pīrsu (Mary Pierce) un ceturto labāko Moniku Selešu (Monica Seles). S. Viljamsa kļuva par tobrīd reitingā viszemāk esošo tenisisti, kura mūsdienās vienā turnīrā uzvarējusi divas top 10 tenisistes pasaulē. Gadu S. Viljamsa  noslēdza jau 99. pozīcijā pasaules reitingā.

Grand Slam turnīros S. Viljamsai pirmā uzvara bija 1998. gadā Australian Open pret rumānieti Irinu Spirlju (Irina Spîrlea). Māsas Viljamsas Australian Open laikā piedalījās tā dēvētajā “dzimumu kaujā” pret Karstenu Brāšu (Karsten Braasch), kas Profesionālo tenisistu asociācijas (Association of Tennis Professionals, ATP) reitingā bija 203. pozīcijā. Māsas Viljamsas bija paziņojušas, ka var uzvarēt jebkuru vīrieti, kas nav labāko 200 skaitā pasaulē. Tie bija maldi, vienu setu K. Brāšs spēlēja pret S. Viljamsu un uzvarēja 6:1, bet otru spēlēja pret V. Viljamsu un uzvarēja ar 6:2. Savukārt French Open S. Viljamsa tika līdz ceturtajai kārtai (labāko 16 skaitā). Gada beigās reitingā S. Viljamsa jau bija 20. pozīcijā vienspēlēs.

1999. gadā S. Viljamsa ieguva pirmo titulu vienspēlēs Sieviešu tenisa asociācijas (Women’s Tennis Association, WTA) tūrē, kas notika  Parīzē – Open Gaz de France. Martā Kalifornijā viņa finālā pirmo reizi uzvarēja Štefiju Grāfu (Stefanie Maria Graf), kura tobrīd bija karjeras norietā. S. Viljamsai izdevās 16 uzvaras pēc kārtas, ko pārtrauca māsa V. Viljamsa. 1999. gadā S. Viljamsa pirmo reizi triumfēja Grand Slam turnīrā US Open; abas māsas Viljamsas uzvarēja arī dubultspēlēs. Otrās pilnvērtīgās sezonas izskaņā S. Viljamsa jau bija ceturtā pasaules reitingā.

2002. gadā S. Viljamsa izcīnīja trīs Grand Slam titulus vienspēlēs, neuzvarot tikai Austrālijā. Pasaules reitingā viņa pakāpās uz pirmo vietu un gadu pabeidza ar teicamu bilanci – 56 uzvarām un tikai 5 zaudējumiem –, kļūstot par pirmo afroamerikānieti vēsturē aiz Eltījas Gibsones (Althea Gibson) 1958. gadā, kura sezonas beigās bija reitinga līdere.

2003. gadā S. Viljamsa uzvarēja arī Australian Open un kļuva par sesto tenisisti atklātajā ērā jeb Open era, kura uzvarējusi visos Grand Slam turnīros. Pusfinālā pret iepriekšējā gada čempioni Kimu Kleistersu (Kim Antonie Lode Clijsters) S. Viljamsa atspēlējās no 1:5 trešajā setā un divām mačbumbām. Vēlāk Vimbldona bija viņai pēdējais turnīrs togad, jo tika savainots ceļgals un bija nepieciešama ķirurģiska iejaukšanās.

S. Viljamsa nespēlēja astoņus mēnešus un atgriezās ar uzvaru 2004. martā Maiami turnīrā. Savainojumi turpinājās arī 2005. gadā, tādēļ pusgadu tenisiste nespēlēja un reitingā noslīdēja uz 139. vietu. Vēlāk sportiste savā autobiogrāfijā atklāja, ka toreiz bijusi arī depresija, viņa katru dienu apmeklējusi psihoterapeitu.

S. Viljamsas karjerā iestājās grūts laiks. 2008. gadā pirms Australian Open viņas lielākais sponsors Nike paziņoja, ka nepārskatīs līgumu, ja sportiste neiekļūs vismaz ceturtdaļfinālā. S. Viljamsa satraumēja kāju, arī saaukstējās, taču cīnījās līdz galam. Vairākās spēlēs bija tuvu zaudējumam, bet tomēr lielajā finālā sagrāva Mariju Šarapovu (Мария Юрьевна Шарапова), kura spēja uzvarēt tikai trijos geimos. Reitingā S. Viljamsa uzreiz pakāpās uz 14. vietu.

2011. gada martā S. Viljamsa  paziņoja, ka viņai ir hematoma un plaušu embolija, nācās ilgstoši ārstēties, taču atgriešanās tenisā bija sekmīga. 2013. gadā viņa kļuva par pirmo sievieti, kura sezonas laikā tenisā nopelnījusi vairāk nekā 10 miljonus dolāru (12,385 miljoni ASV dolāru). Šo sasniegumu togad spēja pārsniegt tikai daži paši labākie vīrieši tenisisti. 2017. gadā S. Viljamsa pēdējo reizi bija pirmā pasaules reitingā, janvārī vēl uzvarot  Australian Open un iegūstot savu 23. Grand Slam titulu vienspēlēs. S. Viljamsa kļuva par vecāko Grand Slam čempioni vēsturē, tobrīd viņai bija 35 gadi un četri mēneši. 2017. gada pavasarī sportiste paziņoja, ka ir bērniņa gaidībās kopā ar Aleksi Ohanianu (Alexis Ohanian), vienu no ziņu vietnes Reddit dibinātājiem. Septembrī piedzima meita Aleksa Olimpija Ohaniana (Alexis Olympia Ohanian Jr.), bet pašai S. Viljamsai sākās pēcdzemdību depresija, turklāt viņa atkal cieta no plaušu embolijas. Sportiste 2018. gadā atgriezās tenisā, spēlēja Vimbldonas un US Open finālā, taču lielos titulus vairs neieguva. 2021. gadā, teju 40 gadu vecumā, tenisiste sasniedza Australian Open pusfinālu. 2022. gada US Open bija pēdējais S. Viljamsas turnīrs, savukārt 2023. gada augustā piedzima otra meita Adira Rivera Ohaniana (Adira River Ohanian).

S. Viljamsa 319 nedēļas bijusi pasaules reitinga pašā augšgalā, ieskaitot 186 nedēļas pēc kārtas. Piecas reizes kalendāro gadu beigusi pirmajā pozīcijā pasaules reitingā, iegūti 73 tituli, vienspēlēs ir 858 uzvaras un 156 zaudējumi. Grand Slam 23 turnīru uzvarētājas tituli vienspēlēs atklātajā ērā jeb Open era ir pats labākais sasniegums sievietēm. Dubultspēlēs kopā ar māsu V. Viljamsu iegūti 14 Grand Slam tituli, jauktajās dubultspēlēs – divi. Vienpadsmit sezonās pēc kārtas S. Viljamsai izdevies iegūt vismaz vienu titulu.

2017. gadā žurnāla Forbes pētījumā viņa tika nosaukta par visvairāk pelnošo pasaules sportisti. S. Viljamsa bija vienīgā sieviete pasaules top 100 pelnošāko sportistu vidū. Karjerā S. Viljamsa nopelnījusi 94 816 730 dolārus tenisa laukumā. Četras reizes bija Laureus balvas ieguvēja kā pasaules gada sportiste. Associated Press aptaujā trīs reizes atzīta par gada labāko sportisti pasaulē.

S. Viljamsa bija agresīva tenisa laukumā, pamatā spēlēja no gala līnijas, viņai bija ļoti spēcīga serve un sitieni, daudz tīri uzvarētu izspēļu, taču samērā daudz arī pašas kļūdu. Kad profesionālajās sacensībās ienāca māsas Viljamsas, sieviešu teniss kļuva daudz atlētiskāks un ātrāks, kā arī ar spēcīgākiem sitieniem.

S. Viljamsa aizvadījusi vairākus labdarības mačus kopā ar māsu V. Viljamsu, lai atbalstītu talantīgāko Āfrikas jauniešu studijas ASV. Viņa regulāri ziedo cīņā pret krūts vēzi, ir UNICEF labas gribas sūtne kopš 2011. gada. Atbalsta Eltona Džona AIDS fondu (Elton John AIDS Foundation) un citas labdarības organizācijas pasaulē. S. Viljamsa ir pārstāvēta Nacionālajā afroamerikāņu vēstures un kultūras muzejā (National Museum of African American History and Culture) Vašingtonā.

2014. gadā tenisiste dibināja akciju sabiedrību Serena Ventures, kuras mērķis ir palīdzēt uzsākt uzņēmējdarbību sievietēm un tumšādainajiem cilvēkiem. Līdz 2022. gada beigām šādam atbalstam bija izlietoti 110 miljoni dolāru. 2016. gadā sociālajos tīklos atbalstīja kustību Black Lives Matter, uzsverot, ka viņai jaunībā arī bijušas problēmas ar likumsargiem ādas krāsas dēļ. Par savu aktivitāti izpelnījusies dažādas balvas no tumšādaino amerikāņu kopienām, pasaulē ierindota 35 ietekmīgāko un ievērojamāko tumšādaino sieviešu skaitā.

S. Viljamsa 2009. gada augustā kopā ar māsu kļuva par mazākuma akciju turētājām Maiami Dolphins amerikāņu futbola komandā. Viņas bija pirmās tumšādainās sievietes jebkad, kuras kļuvušas par Nacionālās futbola līgas (National Football League, NFL) kluba līdzīpašniecēm. S. Viljamsa atbalsta arī Nacionālo sieviešu futbola līgu (National Women’s Soccer League, NWSL), izveidoja jaunu komandu Angel City FC, kas sāka spēlēt  2022. gadā.

Sportistes tēls izmantots arī filmās, īpaši animāciju, ieskaitot populāros “Simpsonus” (The Simpsons, kopš 1989–). Pati spēlējusi dažos seriālos un filmās, kopumā gandrīz 30 epizodēs. Viņa ir pirmā aktīvā profesionālā sportiste, kura reklamējusi sieviešu higiēnas produktus.

Kopā ar Hilariju Bērdu (Hilary Beard) māsas Viljamsas 2005. gadā sarakstīja grāmatu “Vīnusa un Serīna: serve no gurniem: 10 noteikumi, kā dzīvot, mīlēt un uzvarēt” (Venus & Serena: Serving From The Hip: 10 Rules For Living, Loving and Winning). S. Viljamsa 2009. gadā kopā ar Danielu Peizneru (Daniel Paisner) izdeva savu autobiogrāfiju “Uz līnijas” (On the Line).

S. Viljamsa no 2000. gada līdz 2003. gadam studēja Fortloderdeilas Mākslas institūtā (Art Institute Of Fort Lauderdale). 2004. gadā palīdzēja izstrādāt Nike savu modes līniju tenisā Aneres (Serenas vārds no beigām). 2009. gadā pati izveidoja rokassomiņu, aksesuāru un dārglietu kolekcijas. 2019. gadā izstrādāja modes līniju S by Serena, iedvesmojoties no 20. gs. 90. gadu ielas stila. Lielu vērību pievērsa saviem tērpiem tenisā, kas bieži bijuši visai izaicinoši un pretrunīgi novērtēti sabiedrībā, piemēram, 2002. gada US Open spēlēja pieguļošā melnā likras tērpā. Pēc diviem gadiem Ņujorkā spēlēja džinsu svārkos un īpašās sporta kurpēs ar stulma pagarinājumu līdz ceļgaliem, vēlāk turnīra rīkotāji viņai tomēr aizliedza šādā tērpā iziet laukumā. 2008. gadā Vimbldonā S. Viljamsa spēlēja garā baltā treniņtērpā, kādu parasti izmanto iesildīšanās laikā, kaut laukā tobrīd bija silts un saulains.