Pharrell Williams wird am 5. April 1973 als ältester von drei Söhnen in Virginia Beach geboren. Seine Eltern Carolyn und Pharoah sind Lehrerin bzw. Hilfsarbeiter von Beruf. In der siebten Klasse trifft er Chad Hugo im Ferienlager, wo Williams Keyboard und Schlagzeug und Hugo Saxofon spielt. Beide besuchen die Princess Anne High School. 1990 gründen die Beiden eine R&B-Band mit ihren Freunden Shav Haley und Mike Etheridge, die sie The Neptunes nennen. Bei einem High-School-Talentwettbewerb wird die Band von Teddy Riley entdeckt, dessen Tonstudio neben der Schule liegt. Nach dem Abschluss unterschreibt das Quartett bei Riley seinen ersten Plattenvertrag.

In Folge der Zusammenarbeit mit dem Produzenten schreibt Williams 1992 eine Strophe des Wreckx-N-Effect-Songs „Rump Shaker“. 1994 starten er und Hugo ihre Produzententätigkeit unter dem eigentlichen Bandnamen The Neptunes mit dem Blackstreet-Track „Tonight’s The Night“. In den folgenden drei Jahren setzen die Beiden ihre gelegentlichen Produktionsarbeiten fort. Als erster Song, der den Neptunes-Trademark-Sound enthält, gilt N.O.R.E.s „Superthug“ aus dem Jahr 1998. Den Durchbruch schaffen The Neptunes durch die Arbeit an Kelis’ Debütalbum „Kaleidoscope“. Kurz darauf folgen Ol’ Dirty Bastards „Nigga Please“ und der Mystikal-Hit „Shake Ya Ass“.

2001 erreicht das Duo ihre erste weltweite Nummer eins mit Britney Spears’ „I’m A Slave 4 U“. Im selben Jahr folgt in Europa die erste Veröffentlichung von „In Search Of…“, dem Debütalbum von N.E.R.D., Williams’ neuer Band zusammen mit Hugo und Haley. Da es aber ähnlich wie die Neptunes-Produktionen klingt und sie N.E.R.D. einen anderen Klang verpassen wollen, entschließen sich die Drei zu einer erneuten Aufnahme des Albums, diesmal mit der Rockband Spymob. 2002 wird „In Search Of…“ weltweit mit den neu aufgenommenen Songs wieder veröffentlicht. Zugleich landen The Neptunes mit Nellys „Hot In Herre“ einen Riesenhit. 2003 erscheint das Album „The Neptunes Present… Clones“ mit Songs und Remixen von unterschiedlichen Künstlern und geht auf Platz eins der Billboard-Charts. Noch mehr in den Fokus der Öffentlichkeit gerät Williams durch einige Neptunes-Produktionen für Jay-Zs „The Black Album“ und das Release seiner ersten Solo-Single „Frontin’“. Eine Studie bescheinigt den Neptunes, dass im August 2003 43 Prozent der im Radio gespielten Songs von ihnen produziert wurden.

Im März 2004 erscheint das zweite, funkrockige N.E.R.D.-Album „Fly Or Die“. Im selben Jahr gewinnt Williams zwei Grammys („Producer Of The Year“, „Best Pop Vocal Album“ für die Arbeit an Justin Timberlakes „Justified“). 2005 gründet er mit dem japanischen Designer die Bekleidungslinien Billionaire Boys Club und Ice Cream. Im September landet die Vorab-Single seines ersten Solalbums „In My Mind“, „Can I Have It Like That“ mit Gwen Stefani, nur auf Platz 48 der US-Charts. Das Album erscheint schließlich nach mehrmaligen Verschiebungen im Juli 2006. 2007 nimmt Williams mit Questlove von den Roots ein zweites Album („Out Of My Mind“) auf. Allerdings hat sein Plattenlabel Zweifel am Erfolg der Platte und stimmt einer Veröffentlichung nicht zu. Zu einer eher ungwöhnlichen Zusammenarbeit kommt es mit der schwedischen Rockband The Hives, für die er die beiden Songs „Well All Right“ und „T.H.E.H.I.V.E.S.“ produziert.

Im April 2008 erscheint das Madonna-Album „Hard Candy“ inklusive einiger Neptunes-produzierter Tracks. Außerdem arbeitet Williams mit Shakira an deren Album „She Wolf“, das im Oktober 2009 veröffentlicht wird. Darüber hinaus wird er mit Popsternchen Lindsay Lohan an deren neuem Album „Spirit In The Dark“ arbeiten.