Zadebiutowała na wielkim ekranie w 2007 rolą w filmie Jestem legendą, w którym wystąpiła u boku ojca. Kolejny obraz z jej udziałem, Kit Kittredge: Amerykańska dziewczyna, miał premierę 2 lipca 2008. W czerwcu 2010 matka Smith, Jada Pinkett Smith, przyznała w programie Lopez Tonight, że jej córka planuje wydanie albumu studyjnego. Kilka tygodni później premierę miał debiutancki singiel Willow, „Whip My Hair”, a 3 lutego 2011 ukazał się jej singiel „21st Century Girl”, który piosenkarka promowała m.in. w programie The Oprah Winfrey ShowWillow Smith Introduces 'Oprah' View res To New Song 21st Century Girl.
W styczniu 2011 Will Smith przyznał, że myśli o tym, by wyprodukować remake komiksu Little Orphan Annie, w którym w główną rolę miałaby wcielić się Willow.
Od 2020 kontynuowała działalność muzyczną. Wraz z Tylerem Cole’em tworzy projekt The Anxiety; debiutancki album duetu, The Anxiety, ukazał się 13 marca 2020 roku. Singel „Meet Me at Our Spot” dotarł w 2021 roku do 10. miejsca brytyjskiej listy Official Singles Chart.
W 2022 wydała album <COPINGMECHANISM>, a 3 maja 2024 roku – empathogen.