Williams dilahirkan di Kalispell, Montana, anak perempuan Carla Ingrid (née Swenson) Larry Richard Williams. Ibu bapanya berpisah, dan beliau mempunyai seorang kakak, Paige, dan tiga adik-beradik tiri.[1][2] Ibunya ialah seorang pembuat rumah, dan bapanya ialah seorang pengarang, dan pedagang komoditi dan stok, dan dua kali pencalon Parti Republikan untuk Senat Amerika Syarikat dari Montana.[3][4][5][6][7] Beliau mempunyai keturunan Norway, dan sejumlah kecil Inggeris, Jerman, Denmark, Switzerland, Sweden, Scotland, dan Wales.[8][9]

Sebagai seorang kanak-kanak, Williams menjaga dirinya sendiri dan bersabar; seperti yang beliau katakan, "Saya sangat berahsia dengan ibu bapa saya dan saya fikir saya terus-menerus... Saya mendapati bahawa dengan menjaga diri saya, saya tetap OK, saya tidak tahu mengapa."[10] Ketika Williams berusia 9 tahun, keluarganya berpindah ke San Diego, California.[7] Beliau mula berkecimpung dalam bidang lakonan pada usia awal selepas menyaksikan penerbitan awal The Adventures of Tom Sawyer.[11]