Bardzo udany występ zanotowała na londyńskich kortach Wimbledonu, dochodząc do finału, w którym przegrała z Venus Williams 5:7 4:6. Wcześniej pokonała kolejno Kaię Kanepi, Urszulę Radwańską, Amélie Mauresmo, Bethanie Mattek, Agnieszkę Radwańską oraz Zheng Jie.
Na igrzyskach olimpijskich w 2008 wraz z Venus Williams zdobyła złoty medal w grze podwójnej, wygrywając z Anabel Media Garrigues i Virginią Ruano Pascual 6:2, 6:0, natomiast w rozgrywkach singla doszła do ćwierćfinału, ulegając Jelenie Diemientjewej 6:3, 4:6, 3:6.
Czwartym wygranym turniejem w sezonie był wielkoszlemowy US Open. W trwającym prawie dwie i pół godziny ćwierćfinale pokonała swoją starszą siostrę Venus Williams 7:6(6), 7:6(7), mimo że w obu setach to Venus miała więcej piłek na wygranie partii. W półfinale pokonała Rosjankę Dinarę Safinę 6:3, 6:2, a w finale 6:4, 7:5 Jelenę Janković, dla której był to pierwszy finał turnieju wielkoszlemowego w karierze. Dzięki wygranej Williams awansowała na pierwsze miejsce w rankingu WTA, wyprzedzając Anę Ivanović i Jelenę Janković. Pobiła tym samym rekord długości nieobecności na miejscu liderki rankingu – pięć lat i jeden miesiąc.