Энтузиазм Уильямсона рос на глазах, и все рождественские каникулы студент Западно-Техасского педагогического колледжа провел за машинкой, создавая повесть «Чуждый Разум», описывающую затерянную долину в Австралии, населенную таинственной насекомоподобной расой. Повесть была продана Хьюго Гернсбеку и увидела свет в только что основанном им журнале «Wonder science stories» (номера за июль — август 1929 года). Уильямсон, поглощенный своими идеями, оставил учебу в колледже на втором году обучения и полностью отдался писательству.
«Зеленая девушка», опубликованная как сериал в мартовском и апрельском номерах журнала «Amazing Stories» за 1930 год, имела особенный успех. Описывающая странный мир на дне океана, повесть изобиловала различными научными идеями — атомное энергетическое оружие, разумные летающие растения, натренированные на борьбу, и т. д., — была полна самых невероятных приключений. Фактически Джек Уильямсон (опубликовавший повесть под псевдонимом Уилл Стюарт) стал именно тем автором, который заполнил брешь между школой романтических приключений в стиле Меррита, Берроуза, Отиса Аделберта Клайна и Ральфа Майлна Фарли и группой супернаучных фантастов, сгруппировавшихся вокруг Хьюго Гернсбека.
Влияние Абрахама Меррита на творчество Уильямсона продолжалось еще три года. Из 21 произведения, опубликованного им между 1928 и 1932 годом, 13 носят явные следы такого влияния.
Как и все фантасты гернсбековской школы, Джек Уильямсон строил свои произведения вокруг какой-либо «научной» фантастической идеи. Он пишет о девушке, которой позволяют жить разумные обитатели скрытой цивилизации Антарктики, потому что им нравится ее пение («Озеро Света», 1931); о крошечной искусственной планетке, созданной в лаборатории («Планета-пигмей», 1932); о прекрасной девушке, летающей в космосе и обращающейся к изумленным космонавтам с просьбой впустить ее в звездолет («Леди Света», 1932). Возможно, влияние Меррита продолжалось бы еще долго, если бы не неудача в совместной с Мерритом работе. Уильямсон списался с Абрахамом Мерритом и вскоре получил согласие своего кумира написать в соавторстве роман, который должен был называться «Пурпурная гора». Уильямсон написал свою часть — примерно 20 тысяч слов — и выслал Мерриту по почте. Шел 1930 год. Рукопись была доставлена по назначению, но никогда не вернулась к автору.
Лучшим произведением Джека Уильямсона этого периода был рассказ «Лунная Эра» (1932). Главный герой произведения, вылетев с Земли на космическом корабле, попадает в петлю времени и оказывается отброшенным назад в далекое прошлое. Он приземляется на Луне в то время, когда спутник Земли был еще молодым миром и обладал атмосферой, водой, был полон жизни. Вскоре землянин встречается с представителями последней лунной расы, возглавляемыми Матерью, пытающейся спасти испаряющиеся моря. Спустя некоторое время землянин узнает еще одну печальную истину — лунарянам приходится сражаться не только с умирающей природой, но и с Вечными — цивилизацией мозгов, упрятанных в гигантские металлические тела роботов.
Человеком, который вывел Уильямсона из-под влияния Меррита, был Майлс Брейер, известный тогда физик, который писал и научную фантастику. Он не был стилистом, но идеи, содержащиеся в произведениях Брейера, не устарели и поныне. Его замечательный роман «Рай и Сталь», описывающий мир, в котором доминируют думающие машины, новаторский для своего времени, произвел неизгладимое впечатление на Джека Уильямсона. Он написал письмо Брейеру, получил ответ, и с тех пор они переписывались, а затем и встречались долгие годы. Общение с известным физиком очень скоро сказалось на творчестве Уильямсона, который от создания романтических фантазий в духе Меррита перешел к «твердой» научной фантастике.
Одним из произведений, ознаменовавших этот переход, и был роман «Космический Легион» (1934), который вместе с книгами Рэя Каммингса, Эдмонда Гамильтона и Эдварда Э. Смита стал классикой жанра, получившего впоследствии название «космическая опера».
Идея «Космического Легиона» пришла к Уильямсону на лекции доктора Джорджа Сейнт-Клера, читавшего курс мировой литературы в университете Альбукерке и сообщившего студентам, что польский романист Генрик Сенкевич при написании своей исторической трилогии использовал характеры, разработанные Александром Дюма в «Трех мушкетерах». Если это сработало у польского писателя, подумал Джек, то почему бы этому не сработать и у меня. И он написал научно-фантастическую трилогию, в которой действовали «три мушкетера» космоса — Джон Стар, Джей Калам и Хал Самду в компании с космическим Фальстафом, позаимствованным у Шекспира, — Жилем Хабибулой. Спустя многие десятилетия автор еще раз вернулся к полюбившимся читателям героям и написал продолжение трилогии — роман «Королева Легиона». Романы трилогии оказали сильное воздействие на всю последующую приключенческую фантастику, а Жиль Хабибула послужил прообразом для целого сонма толстых гротескных героев, во множестве шествующих по страницам фантастических книг, и среди них самого известного — Николаса Ван Рийна из книг Пола Андерсона.
С годами Уильямсон набрался опыта и писал все лучше и лучше. Его произведения конца 40-х годов ознаменовали собой переход на более высокий литературный уровень. Именно в это время опубликована, наверное, лучшая его книга «Гуманоиды» (1949) — произведение, эпохальное для всей научной фантастики. В 50–70-е годы Уильямсон много книг пишет в соавторстве. Вместе с Джеймсом Ганном он написал космическую оперу «Звездный мост» (1956), с Фредериком Полом создает целых три серии романов — «Звездное дитя», «Поиск под водой», «Самая дальняя звезда».
В эти же годы в его карьере наметился новый поворот — он стал доктором философии, специалистом по английской литературе. Его диссертация (1964) была посвящена творчеству самого выдающегося английского фантаста Герберта Д. Уэллса. С тех пор и по сей день он совмещает преподавание систематического курса научной фантастики с созданием этой самой научной фантастики. Его репутация среди читателей и литературных критиков по-прежнему чрезвычайно высока.
В 1976 году за особый вклад в развитие научной фантастики ему было присуждено звание «Великий Мастер» — специальный приз Небьюла; до него подобной чести удостоился только один фантаст — и это был Роберт А. Хайнлайн.