Bei den Kongresswahlen des Jahres 1814 wurde Williams im 13. Wahlbezirk von North Carolina in das US-Repräsentantenhaus in Washington, D.C. gewählt, wo er am 4. März 1815 die Nachfolge von Peter Forney antrat. Nachdem er bei allen folgenden Wahlen bestätigt wurde, konnte er bis zu seinem Tod am 23. Februar 1842 im Kongress verbleiben. Nach der Auflösung seiner Partei in den 1820er Jahren schloss er sich der Bewegung um PräsidentJohn Quincy Adams an. In den 1830er Jahren wurde er Mitglied der Whigs. Von 1817 bis 1831 war Williams Vorsitzender des Committee on Claims. Zwischen 1833 und 1835 leitete er den Ausschuss, der sich mit der Verwaltung der Territorien befasste. Von 1829 bis 1837 erlebte er während der Präsidentschaft von Andrew Jackson die heftigen Diskussionen um dessen Politik. Dabei ging es um die umstrittene Durchführung des Indian Removal Act, die Nullifikationskrise mit dem Staat South Carolina und die Bankenpolitik des Präsidenten.
Lewis Williams starb am 23. Februar 1842 in der Bundeshauptstadt Washington und wurde auf dem Panther Creek Cemetery im Surry County beigesetzt.