Зельда Рэй Уиллиамс родилась в Нью-Йорке 31 июля 1989 года. Робин Уиллиамс назвал так свою единственную дочь в честь принцессы из игр Nintendo «Легенда Зельды» (Legend of Zelda), которая, в свою очередь, получила имя в честь писательницы Зельды Сейр Фицджеральд. Не удивительно, что актриса любит видеоигры и является фанаткой своей тезки из этой легендарной серии. Во втором по счету браке Робина с Маршей Грасес — продюсера филиппино-финского происхождения, кроме старшей дочери, появился на свет младший сын Коди Аллен. Также у Зельды есть сводный брат Закари Пим – сын Уиллиамса от первого брака с Валерией Веларди.
Актерский дебют Уиллиамс состоялся в телешоу «В поисках доктора Зевса» (In Search of Dr. Seuss), когда ей было всего пять лет. В шесть она сыграла небольшую роль в комедии «9 месяцев» (Nine Months). А спустя десять лет, будучи подростком, снялась в «Тайнах прошлого» (House of D), где играла вместе со своим отцом. В 2007 году вошла в число ста самых красивых людей по версии журнала «People». А через год исполнила роль Фрэнки в фильме-мюзикле «Если бы весь мир был моим» (Were the World Mine). С 2009-2010 года снялась в паре фильмов ужасов, а в 2011 году сыграла в двух эпизодах в популярном сериале «Оборотень» (Teen Wolf). Озвучивала в 2014 году персонажей анимационных сериалов «Легенда о коре» (The Legend of Korra) и «Черепашки-ниндзя» (Teenage Mutant Ninja Turtles). В 2016 году она стала режиссером клипа «Save My Soul» своей подруги поп певицы и актрисы Джоанны «ДжоДжо» Левески и взялась за роль Дрю Ривз в телесериале «Мёртвое лето» (Dead of Summer).
Уиллиамс описывает себя, как очень энергичную и активную любительницу самых разных видов спорта. Наибольшее предпочтение отдает занятием альпинизмом, посещая для этого специализированный зал в Сан-Франциско.