ディスカバリーに搭乗後、彼女は自分のポニーテールを、アメリカの慈善団体Locks of Loveに寄贈することにし、ISS上で同僚の女性宇宙飛行士ジョアン・ヒギンボサムが彼女の髪を切り、STS-116で地球に持ち帰った。ウィリアムズは、STS-116ミッションの8日目に初めての宇宙遊泳を行なった。2007年の1月31日、2月4日、2月9日にマイケル・ロペズ＝アレグリアとともに3回の宇宙遊泳を成功させた。そのうちの1回ではカメラの命綱の固定部が外れ、ウィリアムズが反応する前に宇宙空間に飛んで行ってしまった。彼女は、2007年の1月から2月にかけて、9日間で3回の宇宙遊泳を行い、この最後の4回目の宇宙遊泳で合計時間は29時間17分に達し、キャスリン・C・ソーントンを抜いて女性としての当時の最長記録となった。2007年12月18日、第16次長期滞在の4回目の宇宙遊泳で、ペギー・ウィットソンの宇宙遊泳時間が合計32時間36分に達し、ウィリアムズの記録を抜いた。2007年3月初め、スパイシーな食べ物がほしいという彼女の要求に応え、プログレス補給船からワサビのチューブを受け取った。1気圧で詰められたチューブを開けると、ゲル状の物質は気圧の低いISS船内に飛び散った。2007年4月16日、彼女は宇宙から初めてマラソンに参加した。彼女は4時間24分で2007年のボストンマラソンを完走した。他の乗組員は彼女を応援し、レースの間にオレンジを手渡したと伝えられている。ウィリアムズの妹のディナ・パンドヤはと同僚の宇宙飛行士のカレン・L・ニーベリは地上でマラソンを走り、ウィリアムズは地上管制センターから彼女らの情報を入手できた。2008年、ウィリアムズは再び、今度は地上でボストンマラソンに参加した。2007年4月26日の決定で、彼女はSTS-117でアトランティスに乗って地球に帰ってくることが決まった。彼女は、マイケル・ロペズ＝アレグリアが更新して間もない、一回の宇宙飛行による宇宙滞在のアメリカ記録を破ることはできなかったが、女性の一回の宇宙飛行による宇宙滞在記録は更新した。
ウィリアムズはスペースシャトルディスカバリー/STS-116に乗ってISSを訪れ、第14次長期滞在に合流した。2007年4月にはロシアのメンバーが入れ替わり、第15次長期滞在となった。彼女はISSに個人的に、バガヴァッド・ギーターのコピー、小さなガネーシャの像、サモサを持ちこんだ。
ウィリアムズは1998年6月にアメリカ航空宇宙局に選ばれ、同年8月から基礎訓練を開始した。この基礎訓練では、洋上や荒野でのサバイバル技術の習得の他、科学や技術的な説明を受けたり、身体訓練、T-38での飛行訓練に備えた地上での訓練等が行なわれた。彼女はキャサリン・C・ソーントンが有していた3回の宇宙遊泳（船外活動）による船外活動時間記録を上回り、女性の宇宙遊泳時間の当時の記録を作った。この記録は、 後にペギー・ウィットソンに更新された。基礎訓練と評価を終えると、ウィリアムズはモスクワのロシア連邦宇宙局で国際宇宙ステーション（ISS）関係の業務に携わった。第1次長期滞在クルーが帰還すると、彼女はロボティクス部門で、カナダアーム2とデクスターに関する作業を担当した。また2002年5月には、海底で9日間生活するNEEMO2ミッションに参加した。2008年4月、ウィリアムズはNASAのAstronaut Officeの副室長になった。他の宇宙飛行士達と同様に、ウィリアムズも2001年にアマチュア無線の資格を取っており、2001年8月13日に連邦通信委員会からKD5PLBというコールサインを与えられた。彼女はISS内にある2つのアマチュア無線局のうち1つを使って、学生たちと交信を行った。
ウィリアムズは、1987年5月に海軍兵学校から、少尉としてアメリカ海軍に従軍するという命令を受けた。1989年に海軍飛行士に指名され、1993年に海軍テストパイロット学校を卒業した。
スティーヴン・グレイはカンタベリーで、染物屋マシアス・グレイの三男として生まれた。誕生日は不明だが、洗礼を受けたのは1666年12月26日であることが記録に残っている。1684年ごろに父が死に、跡を継いだ長兄トマスも1695年に死亡したため、以後はスティーヴンが染物屋の主人となった（次兄のマシアス・ジュニアは商人となり後にカンタベリー市長となった）。しかしグレイの興味は自然科学、特に天文学にあり、独学で勉強した。このとき、地元の裕福な友人が本や科学機器を貸してくれた。当時、科学は金持ちの道楽という面が強かった。レンズの研磨から始めて望遠鏡を作り、それを使って（主に太陽黒点について）いくつも小さな発見をし、観測の正確さが評判になった。王立協会の事務員で友人だったヘンリー・ハントの仲介で、グレイの報告が王立協会から出版されたこともある。アマチュア天文学者としてのそうした活動が初代王室天文官でグリニッジ天文台の初代天文台長ジョン・フラムスティードの目にとまった（フラムスティードはグレイのケント州での友人と親交があった）。フラムスティードは正確な全天星図を作ろうとしていたころで、それによって天測航法の経度特定の問題を解決しようとしていた。グレイは星図の製作のための観測や計算の面でフラムスティードを助けた。グレイは1696年ごろからフラムスティードと文通をはじめ、友人になったが、そのことでグレイが科学界に正式に受け入れられるのが難しくなるという問題を生じた。フラムスティードは予備的な星図データへのアクセスに関して、アイザック・ニュートンとの長い加熱した論争に巻き込まれていた。この論争は王立協会の派閥抗争に発展し、ニュートン側が数十年に渡って主流派となったため、フラムスティードとその一派は隅に追いやられた。1707年、ケンブリッジ大学のトリニティ・カレッジに建てられたイギリス第2の天文台で、ニュートンの友人で天文学者のロジャー・コーツの助手としてしばらく働いた。ここで摩擦電気の実験を行ったが、この時期には太陽黒点の観測などを行った。しかしコーツの運営がまずくそのプロジェクトは失敗に終り、グレイは1709年9月には職を辞してカンタベリーの染物屋に戻った。健康に問題があったものの、彼は間もなくジョン・デザグリエの助手としてロンドンに移った。デザグリエは王立協会のデモンストレーターとして、国中やヨーロッパ大陸の各地で科学的新発見についての講演を行った。グレイは宿泊場所を提供されただけで、無給でこれについて回った。グレイは貧窮したが、ジョン・フラムスティードとハンス・スローン（後の王立協会会長）の尽力で、1719年以降はチャーターハウス（Charterhouse、ロンドンにあった一種の救貧院）に住み年金を受給できるようになった。このころグレイはガラス管を静電起電機とした静電気の実験を再開している。電気伝導の発見はここでなされた。