שנת 2000 אמנם היוותה התקדמות מבחינתה של סרינה ויליאמס, אבל בסיומה יכלה סרינה לחוש אכזבה: התוצאות בגראנד סלאם היו סולידיות והיא הגיעה לשלבים מתקדמים, אבל לא מימשה את הפוטנציאל והציפייה הגדולה שלאחר הזכייה בגראנד סלאם הראשון, ובנוסף לא הגנה על התארים מהשנה הקודמת, לכן היא ירדה בדירוג העולמי ולא זכתה בגראנד סלאם. אף על פי כן, זכתה סרינה בשנת 2000 בטורנירים בהנובר, לוס אנג'לס וטוקיו, כמו כן זכתה במדליית הזהב בטורניר הזוגות באולימפיאדת סידני יחד עם אחותה ונוס.
שנת 2001 ייצבה את סרינה כשחקנית צמרת לכל דבר: היא הגיעה לרבעי הגמר באוסטרליה, צרפת, וימבלדון, זכתה באינדיאן ולס וטורונטו, ופרצה משמעותית לקדמת הבמה של טניס הנשים באליפות ארצות הברית. באליפות זו, ניצחה סרינה את כל שחקניות הצמרת לאחר כמעט שנתיים בשולי הצמרת העולמית. היא רשמה ניצחונות יפים על ז'סטין הנין ומרטינה הינגיס, ניצחה את לינדזי דבנפורט, יריבתה משכבר הימים במותחן שנמשך למעלה משלוש שעות, בסיומו ניצחה סרינה 7:5 6:7 6:3 ועלתה לגמר הראשון שלה בקריירה מול אחותה הגדולה ונוס, בו הפסידה בשתי מערכות קצרות.
הגמר הראשון בין האחיות על אדמת ארצות הברית שודר בשעות צפיית השיא בטלוויזיה האמריקאית והפך לאחת הכותרות הגדולות של השנה. הפופולריות של האחיות נסקה לשחקים והן כיכבו בתקשורת האמריקאית יותר מכל טניסאי אחר בעולם. לעומת זאת, גמר האחיות הראשון היה יריית הפתיחה במסע של קונספירציות וספקולציות לגבי היושר הספורטיבי של שתי האחיות במפגשים ביניהן, ועל כך שאביהן קובע את תוצאות המשחקים ביניהן. בטורניר אינדיאן ולס זכתה סרינה (שזכתה בטורניר באותה שנה) לתשואות בוז מהקהל האמריקאי לאחר שאחותה פרשה מהמשחק מולה בחצי הגמר. משום כך, החליטה סרינה לא להופיע יותר בטורניר היוקרתי.
בפתיחת עונת הטניס של שנת 2002, סרינה נפצעה בקרסולה ונאלצה לפרוש מאליפות אוסטרליה. סרינה החמיצה את החודשים הראשונים של העונה אך חזרה לטורניר פיניקס (הטורניר נערך בסקוטסדייל, פרוור של פיניקס), ניצחונות בטורנירים הנחשבים ביותר בסבב, זכייה ראשונה במיאמי, פיניקס, רומא, אליפות צרפת הפתוחה, אליפות וימבלדון היוקרתית, אליפות ארצות הברית הפתוחה, טורניר הנסיכה ביפן והגעה לגמר אליפות סבב ה-WTA. סרינה ויליאמס טיפסה למקום הראשון בעולם לראשונה בקריירה לאחר הזכייה בווימבלדון ורשמה את השנה הטובה ביותר בקריירה שלה עם זכייה בשלושה מתוך 4 טורנירי הגראנד סלאם. היא הפכה לכמעט בלתי מנוצחת והטילה את אימתה על שחקניות הסבב, במשחק אגרסיבי וכוחני שכולל חבטות הגשה אימתניות, מהירות נדירה, אתלטיות וחוסן מנטלי יוצא דופן.
בסיומה של השנה הייתה סרינה מדורגת ראשונה בעולם וטבעה את המושג "סרינה סלאם" לאחר זכייתה באליפות ארצות הברית הפתוחה, תוך כדי שהיא מבטיחה לזכות גם באליפות אוסטרליה הפתוחה ובאופן נדיר להשלים רצף זכיות בכל ארבעת הטורנירים ולהפוך לאלופת גראנד סלאם.
הסרינה סלאם הכניס את סרינה ויליאמס לרשימת השחקניות שכבר השלימו זכייה בגראנד סלאם, כגון מרטינה נברטילובה, מורין קונולי ושטפי גראף. בכל ארבעת הטורנירים בהם ניצחה, גברה סרינה על אחותה הגדולה ונוס בגמר.
פתיחת שנת 2003 לוותה בהתרגשות גדולה, בייחוד בקרב אוהדיה של סרינה ויליאמס. לכולם היה ברור שאין כמעט דבר שימנע מסרינה לזכות באליפות אוסטרליה ולהשלים את הטרילוגיה, אבל גודל האירוע יצר התרגשות והעמיד סימן שאלה גדול מאוד ביחס ליכולותיה של סרינה לעמוד בהבטחתה.
ואכן, בפני סרינה עמדו מספר גורמים שאיימו לעצור את רצף הזכיות. יריבתה של סרינה ויליאמס בסיבוב בראשון, הבלגית קים קלייסטרס, הייתה רחוקה מרחק שתי נקודות מהדחה היסטרית. הבלגית כבר החזיקה שתי נקודות משחק ביד בחצי הגמר, אך בסופו של דבר הפסידה לסרינה בתום מותחן וגם האחות הגדולה נכנעה בסופו של דבר אל מול אחותה, שהשלימה את ה"סרינה סלאם". סרינה הצטרפה לרשימה מכובדת מאוד של שחקניות עבר כדוגמת מרטינה נברטילובה, שטפי גראף, מרגרט קורט ומורין קונולי.
המשך השנה עבר על מי מנוחות מבחינת סרינה ויליאמס, שהמשיכה לקטוף תארים במיאמי ופריז והגיעה לאליפות צרפת להגן על סדרת התארים שלה בטורנירי הגראנד סלאם. אליפות צרפת של אותה שנה סימנה את שבירת ההגמוניה המשפחתית של סרינה ואחותה הגדולה, שלאחר 4 גמרי גראנד סלאם אחת מול השנייה, לא הופיעו לגמר הרולאן גארוס: סרינה הודחה על ידי הנין במשחק מותח ודרמטי, והאחות הגדולה הודחה כבר בשמינית הגמר. בווימבלדון החזירו האחיות את הכבוד למשפחת ויליאמס והופיעו לגמר שישי האחת מול השנייה, גם בו ניצחה סרינה.
פציעה בברך מנעה מסרינה לשחק לאחר וימבלדון והיא סיימה את העונה במחציתה, לא לפני שחתמה עם חברת "נייקי" על חוזה החסות הגדול ביותר בספורט הנשים, במסגרתו קיבלה 40 מיליון דולר.
בשנת 2004, סרינה חזרה לטורניר מיאמי וניצחה אותו לאחר שמונה חודשי פציעה, בכך הפכה לטניסאית הראשונה מאז מוניקה סלש שמנצחת בטורניר החזרה שלה לסבב. ההישגים של שנת 2002–2003 לא חזרו על עצמם וסרינה רשמה הפסדים מאכזבים לג'ניפר קפריאטי בצרפת וארצות הברית, והפסדים מאכזבים במיוחד לכוכבת הטניס העולה, מריה שראפובה בגמר וימבלדון וגמר אליפות סוף השנה. סרינה לא הצליחה לחזור ולשלוט בסבב, איבדה את המקום הראשון והידרדרה עד למקום השביעי, נטולת כל תואר גראנד סלאם.
בתחילת שנת 2005, זכתה סרינה באליפות אוסטרליה בפעם השנייה, מנצחת סדרה של שחקניות צמרת כמו אמילי מאורסמו, מריה שראפובה ולינדזי דבנפורט ועולה בדירוג העולמי למקום השני בעולם. באליפות צרפת היא לא השתתפה, בווימבלדון וארצות הברית היא הודחה מוקדם ולא הגנה על התארים מהשנה שעברה. בדירוג העולמי סיימה סרינה את השנה במקום ה-11 בעולם, מחוץ לעשירייה הראשונה בעולם לראשונה מאז שנת 1999.
סרינה חזרה להגן על תארה היחיד באליפות אוסטרליה עם כניסת שנת 2006, אך איבדה גם אותו תוך כדי הדחה מוקדמת בשלבים המוקדמים. המשך הקריירה של סרינה ויליאמס, אחת השחקניות המוכשרות והטובות ביותר בהיסטוריה (הטניסאית האחרונה למעשה ששלטה ללא עוררין תקופה ממושכת בסבב הנשים) עומדת בסימן שאלה תחת רצף פציעות ועלייה במשקל. סרינה בהתבטאויות מסוימות אמרה שהיא עוד תחזור לשלוט בסבב כמו שרק היא יודעת, אבל בינתיים ירדה סרינה אל המקום ה-95 בעולם בדירוג העולמי.
בשנת 2007, פתחה סרינה בטורניר הובארט, שם הפסידה ברבע הגמר. לאליפות אוסטרליה הפתוחה הגיעה כמדורגת 81 בעולם. בשלבים הראשונים ניצחה סרינה בקלילות. בסיבוב השלישי חזרה מפיגור מערכה ושבירה לניצחון על המדורגת 5 בעולם, נדיה פטרובה. בשלב רבע הגמר התמודדה מול שחר פאר הישראלית. פאר הייתה רחוקה מרחק 2 נקודות מניצחון ואף הגישה למשחק, אך הפסידה בסופו של דבר 8:6 6:2 3:6. בחצי הגמר גברה ויליאמס על ניקול ואידישובה, הכוכבת העולה ובגמר הביסה את המדורגת שנייה בעולם, מריה שראפובה 6:2 6:1. עם הזכייה בתואר הגראנד סלאם השמיני בקריירה שלה, זינקה סרינה ויליאמס למקום ה14 בעולם ושלחה מסר ברור בכיוון חזרתה לצמרת. את הפתיחה המוצלחת ל-2007 המשיכה סרינה בזכייה בטורניר מיאמי, תוך כדי ניצחונות על מריה שראפובה, ז'וסטין הנין, ניקול ואידישובה ושחר פאר.
אולם, המשך השנה היה מאכזב משהו עבור האמריקאית שכשלה בשלושת טורנירי הגראנד סלאם הנותרים באותו שלב (רבע גמר) ומול אותה שחקנית (ז'וסטין הנין). אף על פי כן, סרינה העפילה לאליפות סוף השנה במדריד אך נאלצה לפרוש מהתחרות בעקבות פציעה, את שנת 2007 היא סיימה במקום השביעי בעולם.
בארבעת החודשים הראשונים של שנת 2008, סרינה הסתמנה כאחת משתי השחקניות הטובות ביותר בסבב, לצד מריה שראפובה שזכתה באליפות אוסטרליה הפתוחה. היא זכתה בשלושה תארים: בבנגלור שבהודו, בטורניר מיאמי הגדול וטורניר צ'ארלסטון, כאשר בדרך היא מנצחת את שראפובה ובגמר את ורה זבונרבה. לאחר הזכייה בטורניר עלתה ויליאמס למקום ה-6 בעולם. בנוסף, הגיעה ויליאמס לגמר אליפות וימבלדון (דרג גראנד סלאם) שבו הובסה על ידי אחותה הגדולה ונוס ויליאמס, בעקבות זאת היא עלתה למקום ה-5 בעולם.
בגמר אליפות ארצות הברית הפתוחה הביסה ויליאמס את יאנקוביץ', ועלתה למקום הראשון בעולם.
באולימפיאדת בייג'ינג זכו האחיות ויליאמס במדליית הזהב האולימפית השנייה שלהן לאחר שניצחו בגמר טורניר הזוגות את הספרדיות וירחיניה רואנו פסקואל ואנבל מדינה גאריגס. בטורניר היחידות הודחה ויליאמס בשלב רבע הגמר על ידי ילנה דמנטייבה.
בתחילת 2009, הפסידה בחצי גמר טורניר סידני לילנה דמנטייבה. באליפות אוסטרליה הפתוחה הייתה קרובה להדחה בשמינית הגמר, אך יריבתה ויקטוריה אזראנקה פרשה במערכה השנייה בשל תשישות. לבסוף, סרינה זכתה בטורניר כשהיא גוברת על ילנה דמנטייבה בחצי הגמר ועל דינארה סאפינה בגמר במשחק חד צדדי, בעקבות זכייתה באליפות העפילה בפעם השלישית למקום ה-1 בעולם. בטורניר פריז הגיעה לחצי הגמר אך פרשה לפני תחילת המשחק בגלל פציעה בברך ימין.
בטורניר דובאי הפסידה בחצי הגמר לאחות הגדולה ונוס ויליאמס במפגש ה-19 ביניהן. בטורניר מיאמי בו זכתה בשנתיים האחרונות נפצעה בחצי הגמר ברגלה והפסידה בגמר לוויקטוריה אזרנקה. פציעה זו גרמה לה ל-4 הפסדים רצופים בסיבובים ראשונים בטורנירים שונים.
באליפות צרפת הפתוחה ניצחה בפעם הראשונה מאז נפצעה, והגיעה לרבע הגמר בו הפסידה לסבטלנה קוזנצובה במשחק דרמטי.
בווימבלדון הצליחה סרינה לנצח את אחותה בגמר בשתי מערכות ולזכות בתואר הגרנד סלאם ה-11 שלה ובתואר וימבלדון השלישי שלה והראשון אחרי פציעתה(7-6 ו2–6).