Năm 1764, Williamson quay sang học nghề y tại Edinburgh, London và tại
Utrecht. Cuối cùng, ông được trường Đại học Utrecht cấp bằng. Trở lại
Philadelphia, ông bắt đầu làm nghề y, nhưng vì chán ngán và mệt mỏi với
công việc này nên ông chuyển sang theo đuổi các mối quan tâm về khoa
học. Năm 1768, ông là thành viên Hiệp hội Triết học Mỹ. Một năm sau, ông
tham gia ủy ban nghiên cứu về sự dịch chuyển của sao Kim và sao Thuỷ.
Năm 1771, ông viết Luận văn về các hành tinh, trình bày nhiều ý tưởng độc
đáo. Nhờ đó, trường Đại học Leyden đã tặng ông bằng Tiến sĩ danh dự.
Năm 1773, Williamson tiến hành một chuyến đi thăm vùng Tây Ấn, rồi tới
châu Âu. Lên thuyền ở Boston, ông chứng kiến vụ lô Chè ở Boston và
mang tin tức về sự kiện này đến London. Khi Hội đồng Privy Anh gọi ông
đến làm chứng về những điều ông nhìn thấy, ông cảnh báo họ rằng các
thuộc địa có thể sẽ nổi loạn nếu nước Anh không thay đổi chính sách của
mình. Trong khi ở Anh, ông bắt đầu một tình bạn thân thiết với nhà khoa
học là Benjamin Franklin. Họ đã hợp tác trong các thí nghiệm về điện.
Năm 1775, Williamson xuất bản cuốn sách nhỏ Lời biện hộ cho các Thuộc
địa (The Plea of the Colonies) mà ông viết trong thời gian sống ở Anh.
Cuốn sách này đã thu hút sự ủng hộ của phe Whig ở Anh đối với các sự
kiện ở Mỹ. Khi Mỹ tuyên bố độc lập, thì Williamson đang ở Hà Lan, nên
ông vội vàng trở lại Mỹ. Lúc đầu, ông sống tại Charleston, SC và sau đó,
chuyển đến thành phố Edenton, NC. Tại đây, ông là một nhà buôn rất thành
công trong các hoạt động thương mại với Pháp, Tây Ấn và lại một lần nữa
mở phòng khám. Sau đó, Thống đốc Bắc Carolina sớm phát hiện ra tài năng
của ông và đưa ông trở thành bác sĩ phẫu thuật chính trong quân đội tiểu
bang. Trong trận đánh ở Camden, SC, ông băng qua tên đạn chăm sóc các
thương binh. Ông cũng phòng chống bệnh tật trong quân đội bằng cách cải
thiện các điều kiện vệ sinh, thực phẩm.
Sau chiến tranh, Williamson bắt đầu sự nghiệp chính trị. Năm 1782, ông
được bầu vào Hạ viện tiểu bang, rồi vào Quốc hội Hợp bang. Ba năm sau,
ông rời Quốc hội và trở lại Nghị viện bang. Năm 1786, ông được cử làm đại
