Loty kosmiczne STS-101 Misja STS-101 rozpoczęła się 19 maja 2000. Wahadłowiec Atlantis wyniósł Williamsa oraz sześcioro innych członków załogi na Międzynarodową Stację Kosmiczną. Wśród astronautów jedynie Williams nie miał doświadczenia i leciał w kosmos po raz pierwszy. Zadaniem załogi było przygotowanie stacji do połączenia z modułem serwisowym Zwiezda oraz przybycia pierwszej stałej załogi. 21 maja prom kosmiczny połączył się z ISS. Następnego dnia Williams odbył swój pierwszy spacer kosmiczny, podczas którego wraz z partnerem zamontował rosyjski manipulator Strieła 2 na zewnętrznej powierzchni stacji. 23 maja astronauci weszli na pokład ISS i wykonali szereg prac remontowych. 26 maja Williams opuścił stację i trzy dni później na pokładzie promu Atlantis wylądował w Centrum Kosmicznym im. Johna F. Kennedy’ego.