39-åriga Williams meddelade beslutet på en digital presskonferens inför Wimbledon som startar på måndag, där hon hoppas ta sin 24:e grand slam-titel och tangera Margaret Courts rekord.
– Det finns flera orsaker till mitt olympiska beslut. Och jag känner inte för att gå in på dem i dag, kanske en annan dag, säger hon.
Det har varit frågetecken kring om arrangörerna i Tokyo kommer att göra undantag för idrottare som vill ha med sina barn till OS. Williams fick i förra månaden frågan om hon skulle åka på sommarspelen om det skulle innebära att hon behövde separeras från sin treåriga dotter.
– Jag har inte tillbringat 24 timmar utan henne, så jag tycker att det svarar på frågan, sade hon enligt NBC Sports.
Tennisstjärnan har tävlat i fyra OS där hon tagit fyra guld. Tre av dem i dubbel (2000, 2008 och 2012) och ett i singel (2012).
Om Williams inte tar plats i USA:s OS-lag lär hon att ersättas av 26-rankade Jessica Pegula. Sofia Kenin, Jennifer Brady och Coco Gauff kommer också att delta i sommarspelen.