Ha frequentato il Saint Lukas Institute for Visual Arts di Bruxelles e la London Film School. E' stato impegnato per la prima volta come direttore della fotografia quando è stato assunto per un video musicale del gruppo Cable, per la regia di Mark Adcock. Durante quelle riprese, Willems ha incontrato il regista David Slade e i due hanno iniziato un'amicizia e un rapporto di collaborazione che prosegue tuttora, lavorando su numerosi progetti che hanno riscosso molti consensi da parte della critica e dei loro colleghi, tra cui Mr. Writer per la rock band The Stereophonics e Clubbed to Death per Rob Dougan. Willems ha ricevuto due nomination per la miglior direzione della fotografia agli English CAD Awards.
Dopo aver girato più di 100 video musicali in Inghilterra, Willems si è trasferito a Los Angeles per proseguire la sua carriera nel mondo del cinema e dei video. Ha realizzato alcuni dei suoi lavori più importanti per il regista Francis Lawrence, tra cui Alive dei POD e Cry Me a River di Justin Timberlake, che hanno ottenuto diversi MTV Video Music Award. Inoltre, ha lavorato come direttore della fotografia per dei video con Prince, Britney Spears, Norah Jones, Outkast e Kanye West.
Nel 2004, Slade e Willems hanno realizzato la pellicola indipendente Hard Candy, che ha esordito al Sundance Film Festival del 2005 ottenendo grandi consensi. Willems ha poi terminato la sua seconda pellicola, London, nel 2005. L'anno seguente, si è occupato di Rocket Science, che è passato nel circuito dei Festival, apparendo al Sundance, Atlanta, Philadelphia e San Francisco.
Recentemente, è tornato a collaborare con il regista David Slade per 30 giorni di buio (30 Days of Night).