Championne de natation, Esther Williams bat deux records du monde en 1938. Sélectionnée pour les jeux Olympiques de 1940, elle entre dans une troupe de ballets aquatiques lorsque la compétition est annulée. Elle est alors repérée par la Metro-Goldwyn-Meyer.
Durant les années d'après-guerre, Esther Williams fait la fortune de la MGM avec une série de divertissements aquatiques taillés à sa mesure. Ses ballets fastueux du Bal des sirènes (George Sidney, 1944) et de Million dollar mermaid (Mervyn Le Roy, 1952) occultent quelque peu le talent dramatique de cette belle naïade. Elle sait pourtant faire preuve de fantaisie, comme dans Texas carnival (Charles Walters, 1951), et même d'une réelle intensité dramatique (L'Enquête de l'inspecteur Graham, Harry Keller, 1956). Peinant à trouver des rôles sur la terre ferme, elle se retire discrètement des écrans au début des années 1960.
Après sa carrière elle se reconvertit dans la construction de piscine et la vente de maillots de bain.
Dans les années 1960, elle commente pour la chaîne de télévision ABC les épreuves de natation des Jeux olympiques de 1984 à Los Angeles.