Serena đã học quần vợt từ cha cô tại các sân quần vợt công cộng ở Los Angeles và lên chuyên nghiệp vào năm 1995, một năm sau chị gái Venus. Sở hữu những cú giao bóng mạnh mẽ và những cú chạm bóng và tinh thần thể thao tuyệt vời, hai chị em sớm thu hút nhiều sự chú ý. Nhiều người dự đoán Venus sẽ là chị em nhà Williams đầu tiên giành được danh hiệu Grand Slam, nhưng chính Serena là người đã hoàn thành kỳ tích, giành chiến thắng tại Mỹ mở rộng 1999. Tại giải đấu đó, hai chị em đã giành chiến thắng ở nội dung đánh đôi, và trong suốt sự nghiệp, hai người đã hợp tác để giành 14 danh hiệu đôi Grand Slam.

Tại Olympic 2000 ở Sydney, Úc, Serena và Venus đã giành huy chương vàng đôi nữ. Sau nhiều năm chơi không nhất quán, Serena đã khẳng định mình vào năm 2002 và giành chiến thắng tại Pháp mở rộng, Mỹ mở rộng và Wimbledon, đánh bại Venus trong trận chung kết của mỗi giải đấu. Được biết đến với sự kiên cường mãnh liệt của mình, Serena đã vô địch Úc mở rộng năm 2003 và do đó đã hoàn thành một sự nghiệp Grand Slam bằng cách giành chiến thắng trong cả bốn giải đấu Grand Slam. Năm 2005, Serena đã vô địch Úc mở rộng một lần nữa. Mặc dù mắc phải chấn thương vào năm sau, cô đã hồi sinh vào năm 2007 để giành chức vô địch Úc mở rộng thứ ba. Serena và Venus đã giành huy chương vàng quần vợt đôi thứ hai của họ tại Olympic 2008 ở Bắc Kinh. Cuối năm đó, Serena đã giành chiến thắng tại Mỹ mở rộng lần thứ ba. Năm 2009, cô đã giành được danh hiệu Grand Slam thứ 10 của mình bằng cách giành chiến thắng tại Úc mở rộng. Cuối năm đó, cô đã giành được danh hiệu Wimbledon thứ ba, một lần nữa đánh bại chị gái mình. Serena bảo vệ danh hiệu của mình tại Australian Open và Wimbledon vào năm 2010. Sau đó, cô đã chiến đấu với nhiều vấn đề sức khỏe khác nhau khiến cô phải nghĩ thi đấu trong gần một năm.

Năm 2012, cô đã giành được danh hiệu Wimbledon thứ năm của mình. Một tháng sau tại Olympic Luân Đôn, Serena đã giành huy chương vàng trong nội dung đánh đơn, trở thành người nữ tay vợt thứ hai (sau Steffi Graf) giành được giải Golden Slam trong sự nghiệp. Cô cũng hợp tác với Venus để giành chiến thắng trong nội dung đánh đôi. Cuối năm đó, Serena giành danh hiệu Grand Slam thứ 15 của cô với chiến thắng tại Mỹ mở rộng. Năm 2013, cô đã giành được chức vô địch đơn giải Pháp mở rộng thứ hai và danh hiệu thứ năm của Mỹ mở rộng. Williams đã bảo vệ thành công chức vô địch Mỹ mở rộng của mình vào năm 2014, với 18 danh hiệu Grand Slam trong sự nghiệp, cùng với Chris Evert và Martina Navratilova trở thành tay vợt nữ giành nhiều danh hiệu Grand Slam thứ ba trong kỷ nguyên mở. Năm sau, cô đã giành được giải Úc mở rộng thứ sáu. Williams sau đó đã giành chức vô địch Pháp mở rộng 2015 với tổng số 20 lần vô địch đơn Grand Slam. Cô tiếp tục chuỗi trận chiến thắng của mình tại Wimbledon, giành chiến thắng trong một trận chung kết liên tiếp để giành được danh hiệu đơn thứ sáu trong sự nghiệp Wimbledon. Williams một lần nữa giành được Wimbledon vào năm 2016, mang lại cho cô 22 danh hiệu Grand Slam đơn trong sự nghiệp, gắn liền với Graf cho hầu hết các Slam trong kỷ nguyên mở cho cả nữ và nam. Williams đã phá kỷ lục Graf, tại giải Úc mở rộng 2017, nơi cô đã đánh bại chị gái Venus trong trận chung kết.