Dort entdeckte sie ein Talentsucher der MGM-Studios und Esther Williams wurde eines der vielen Starlets, die oft jahrelang auf ihre Chance warteten. Ihr Filmdebüt gab sie 1942 an der Seite von Mickey Rooney in "Andy Hardy's Double Life". Nach ihrem Auftritt in dem Kriegsfilm "Kampf in den Wolken"¹⁾ (1943, A Guy Named Joe) an der Seite von Spencer Tracy und Irene Dunne folgte 1944 mit "Badende Venus" (Bathing Beauty) ihr erstes Schwimmspektakel. Der Streifen war auch Hollywoods erster Film dieser Art und obwohl er ein Riesenerfolg wurde, zögerte Esther Williams anfangs, ihre Leinwandkarriere fortzuführen, da sie sich ihres Mangels an schauspielerischen Talent bewusst war. MGM jedoch überredete "America’s Mermaid", weiterhin in Produktionen wie "Flitterwochen zu dritt"¹⁾ (1945, Thrill of a Romance), "Auf einer Insel mit dir" (1948, On an Island with You), "Neptuns Tochter"²⁾ (1949, Neptune's Daughter) und "Die goldene Nixe"³⁾ (1952, Million Dollar Mermaid) mitzuwirken.
Mehr als zehn Jahre gelang es Esther Williams, mit ihrer Über- und Unterwasserakrobatik das Publikum zu faszinieren. Vor allem das aufwendige Finale in dem 1953 gedrehten Film "Du bist so leicht zu lieben" (Easy to Love), in dem sie eine Schar von hundert Wasserskiartisten anführte, machte sie unvergesslich. Dafür ging sie mit ihren Versuchen, eine Filmkarriere außerhalb des Swimmingpools zu starten, kläglich baden. Lediglich in dem Musical "Spiel zu dritt" (1949, Take Me Out to the Ball Game) konnte sie an der Seite von Gene Kelly und Frank Sinatra als Chefin eines Baseballteams einen darstellerischen Erfolg verbuchen, ohne auch nur einmal herumplanschen zu müssen. Als Esther Williams' Karriere Anfang der 1950er Jahre langsam zu Ende ging, stellte die US-Entertainerin Fanny Brice treffend fest: "Sie ist eben nur nass ein Star". Hauchdünne Handlungsfäden zogen sich durch die meisten ihrer Filme und die Streifen wurden nur durch die Schwimmnummern, die häufig vor exotischer Kulisse wie Hawaii und Tahiti stattfanden, attraktiv.

Zeitlebens sehnte der Wasser-Star sich nach ernsten dramatischen Rollen. Nach mehreren Leinwandflops zog sich der ehemalige MGM-Kassenmagnet dann  1961 nach ihrem letzten Film "Die große Attraktion" (The Big Show) aus dem Filmgeschäft zurück, tourte noch eine Zeit lang mit Wassershows durch die Lande und trat in einigen TV-Specials auf. Außerdem vermarktete Esther Williams ab 1967 ihren Namen bis heute gewinnbringend im Zusammenhang mit allerlei Badeprodukten. Gemeinsam mit Co-Autor Digby Diehl veröffentlichte sie 1999 ihre Autobiografie "The Million Dollar Mermaid".

Esther Williams war vier Mal verheiratet: von 1940 bis 1944 mit dem attraktiven Medizinstudenten Leonard Kovner, ihren zweiten Mann, den Radiosänger, Schauspieler und Manager Ben Gage⁴⁾ (1914 – 1978), heiratete sie Ende November 1945 und ließ sich im April 1959 trotz der drei gemeinsamen Kinder von ihm scheiden. Ihrer Heirat am 31. Dezember 1969 mit dem 1916 in in Buenos Aires geborenen argentinischen Schauspieler und Filmproduzenten Fernando Lamas¹⁾ folgten bis zu dessen Tod am 9. Oktober 1982 turbulente Jahre; heute ist sie seit Oktober 1994 mit dem Schauspieler Edward Bell verheiratet. Das ehemalige Schwimmtalent ist Mutter von drei Kindern aus ihrer Ehe mit Ben Gage und hat der einstige Star die Söhne Benjamin (geb. 1949) und Kimball (geb. 1950) sowie Tochter Susan (geb. 1953).