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1832년 약제상 견습공이 되어 여가시간에 박물학에 관한 공부를 했으며 화석에 관한 여러 편의 우수한 논문을 썼다. 1835년 그는 맨체스터 박물학회 박물관 관장으로 임명되었다. 그후 런던대학교 유니버시티 칼리지에서 의학공부를 마치기 위해 박물관을 떠났고 다시 맨체스터로 돌아와 개업했다.

1845년 그는 지중해 동부지역의 진흙에서 발견된 미세한 생물에 관한 1편의 논문을 쓴 것을 계기로 심해퇴적물에 대한 연구를 시작했다. 윌리엄슨은 1840~50년에 해양 원생동물 연구의 새로운 방법을 소개했으며, 군집을 이루고 사는 원생동물인 볼복스(Volvox)의 식물적 특성을 발표했다. 6년 후 그는 맨체스터대학교 오언스 칼리지의 박물학·해부학·생리학 교수로 재직했으며, 1880~92년에는 동대학의 식물학교수로도 재직했다.

고식물학의 선구자로서, 그는 종자식물과 꽃피는 식물 등과 같은 현화식물(phanerogam)에서 볼 수 있는 2차 물관부를 지닌 몇 종류의 화석들을 발견하고 이러한 화석들을 조류·양치류·이끼류처럼 꽃이나 씨를 만들지 않는 은화식물(cryptogam)의 한 무리로 구분했다. 그는 이런 논란의 여지가 많은 19편의 논문을 모아 〈콜메저의 화석식물 구조관찰 On the Organization of the Fossil Plants of the Coal Measures〉(1872~94)을 출판했다.