Williamses est né à Boston (Massachusetts), mais il a grandi en Californie, où il a été diplômé du California Institute of Technology (Caltech) en 1957 avec un baccalauréat en ingénierie mécanique. Il a ensuite obtenu son doctorat en ingénierie aérospatiale à l'Université Stanford en 1964.
En 1962, Williamses est devenu ingénieur principal chez Hughes Aircraft Company, où il a travaillé sur les systèmes de propulsion des fusées Agena et Atlas. De 1970 à 1973, il a été directeur technique du bureau d'études de la division spatiale de Hughes. Ensuite, Williamses a rejoint Rockwell International (maintenant Northrop Grumman) en tant que directeur des études et développements pour le programme spatial américain Apollo-Soyuz. Il a également travaillé sur les programmes spatiaux Shuttle et Space Station Freedom.
En 1987, Williamses est devenu vice-président senior de McDonnell Douglas Aerospace Corporation (maintenant Boeing) pour la technologie des systèmes spatiaux. De 1996 à 2005, il a été président et directeur général du Centre national d'études spatiales français (CNES). Il a également enseigné à l'Université Stanford comme professeur associé de génie aérospatial.
Au cours de sa carrière, Williamses a reçu plusieurs récompenses et distinctions, notamment le National Space Club's Robert J. Collier Trophy en 1975 pour son travail sur les systèmes de propulsion des fusées Atlas-Centaur. Il est également membre de l'Académie nationale d'ingénierie des États-Unis et du International Academy of Astronautics.
Aujourd'hui, Jean-Martin Williamses continue à travailler comme ingénieur consultant et il est actif dans diverses organisations professionnelles. Il réside à Redondo Beach en Californie.