Parallèlement à sa carrière de chanteuse, Vanessa Williams devient aussi actrice de cinéma et de séries télévisées. Sa première apparition est dans un épisode de La croisière s'amuse, où elle joue son propre rôle. En effet, ses principales premières apparitions sont des rôles de guest star dans Le Prince de Bel-Air, Star Trek : Deep Space Nine, Ally McBeal ou encore Boomtown. Elle participe également à l'émission télévisée Saturday Night Live.

Elle fait aussi de nombreuses apparitions dans des téléfilms ou des mini-séries comme Perry Mason: The Case of the Silenced Singer et The Jacksons: An American Dream ou encore Le caméléon (saison 2, épisode 7).
Début 2006, Vanessa Williams tourne dans la série télévisée South Beach, pour la chaîne UPN. Elle apparaît également dans une nouvelle série Ugly Betty, dans le rôle de la « méchante » Wilhelmina Slater, qui lui assure un retour sur la scène médiatique. En 2010, sa venue dans la série télévisée américaine Desperate Housewives est annoncée, où elle jouera le rôle d'une femme au foyer du nom de Renee Perry, référence à Ugly Betty puisque la sœur de son personnage, Wilhelmina, se prénomme Renee.

Au cinéma, Vanessa Williams tourne en 1996 L'Effaceur, au côté d'Arnold Schwarzenegger, Dance With Me en 1998 ou encore Shaft, en 2000.Elle obtient un petit rôle dans l'adaptation cinématographique d'Hannah Montana.

Elle joue également dans de nombreuses pièces de Broadway, tenant le premier rôle en 1994 dans Le Baiser de la femme araignée pour lequel elle reçut d'excellentes critiques et une nomination aux Tony Awards pour sa performance dans le rôle de la sorcière dans la pièce de Stephen Sondheim, Into The Woods, en 2002.