En 1946, il est nommé chef du département d'ingénierie électrique de l'université de Manchester. Là, avec Tom Kilburn, il invente le tube de Williams, un tube cathodique utilisable comme mémoire d'ordinateur. En 1948, avec Kilburn et Geoff Tootill, il met au point la Small-Scale Experimental Machine, le premier ordinateur dont le programme était enregistré dans la même mémoire que les données. Le support de cette mémoire était le tube de Williams. Cette machine est la base du Manchester Mark I.
