Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Serena, 35, vann 6-4 6-4 för att passera Steffi Graf i den all-time listan över stora vinnare sedan Grand Slams accepterade professionella spelare 1968.
Amerikanen återfår högsta rankningen från tyska Angelique Kerber.
Australiens Margaret Court, med 24, är den enda spelaren fortfarande framför Serena när det gäller Grand Slam singlar titlar.
"Grattis till Serena på nummer 23", sa Venus, som vid 36 är den äldsta australiensiska Open finalisten i den öppna eran.
"Jag har varit där med dig, några av dem har jag förlorat mot dig. Det har varit en fantastisk seger.
"Jag är enormt stolt över dig, du betyder allt för mig. Jag, om Gud vill, skulle älska att komma tillbaka. Tack för all kärlek."
Serena hyllade sin syster, som spelade sin första stora final i åtta år och sade: " Det finns inte en chans att jag skulle vara 23 år utan henne. Det finns ingen chans att jag skulle vara det utan henne. Hon är min inspiration.
"Hon är den enda anledningen till att jag står här idag. Hon är den enda anledningen till att Williams systrar existerar. Tack för att du inspirerade mig. Varje gång du vann denna vecka, kände jag att jag fick en seger också. "
Serena gick in i matchen som en stark favorit, men spänningen var uppenbar redan i tredje matchen när hon slog en racket i frustration, får en kodöverträdelse.
Hon hade brutit tjäna i första och tredje matcher bara för att ge fördelen tillbaka varje gång, tre dubbla fel oförklarligt skräpa en desperat spel för 2-2.
Det var tydligt att sex-tidens mästare kämpade för att göra upp, med 13 obetvingade fel i de inledande fem matcher, medan äldre syster Venus höll henne under press med några djupa slag.
Det avgörande draget av uppsättningen kom med en superb droppe volley följt av en dumpande förhand vinnare från Serena för att bryta för 4-3, och denna gång lyckades hon konsolidera på tjäna.
I motsats till de inledande stadierna, de följande nio spelen gick med serve - Venus återhämta sig utmärkt från 0-40 tidigt i den andra uppsättningen - men det var Serena som skapade chanserna.
Hon äntligen kapitaliserade på sin sjätte brytpunkt i setet med en lysande avkastning för att leda 4-3 och följde upp det med sin bästa service spel av matchen för 5-3.
Publiken på Rod Laver Arena hade stöttat Venus från början när hon försökte vinna en första stor titel i åtta år, och så mycket mer som nederlaget hotade och hon verkade kämpa fysiskt.
Det var ett stort jubel när hon höll tjänar att tvinga sin syster att tjäna ut matchen, men Serena återhämtade sig från 15-30 för att tjäna match poäng och föll tillbaka på banan i firandet när hennes syster skickade bollen flytande bred.
Lördagens final var den 28:e delen av systrarnas rivarly, som började vid Australian Open 1998, med Serena nu 17-11 framåt och 7-2 upp i Grand Slam final.
Venus, som blev professionell 1994 och har vunnit fem Wimbledon och två US Open-titlar, insisterade på att hon inte var alltför besviken efter att ha nått sin första stora final sedan 2009.
"Nej, för jag har varit här förut, sa hon. "Jag tycker verkligen om att se namnet 'Williams' på trofén. Detta är en vacker sak."
Russell Fuller, BBC tennis korrespondent:
Det kanske mest anmärkningsvärda med Serena Williams är hur länge hon har vunnit Grand Slam-titlar. Den första kom den 11 september 1999 i New York; den 23:e den 28 januari 2017 här i Melbourne.
Själva matchen kommer snabbt att glömmas, men aldrig prestationen. Richard Williams brukade be tennisklubbar att dela med sina gamla bollar när han började sätta sina döttrar genom sina steg i Los Angeles distriktet Compton, och nu Serena har fler Grand Slam singlar titlar än någon som någonsin har spelat spelet, med undantag för Margaret Court.
Williams är nu bara en bakom Australien - som tittade på Rod Laver Arena - och enligt 18-tidens Grand Slam mästare Martina Navratilova, det är en skiva hon kunde "skaka" innan hennes speldagar är klara.
Billie Jean King på Twitter: Grattis @serenawilliams på din 23: e stora titel och återgå till toppen av @WTA ranking. Du är en historieskapare och en trailblazer.
Martina Navratilova på Twitter: otroligt - Serena gör det igen - vilken fantastisk skiva!
Angelique Kerber på Twitter: Grattis till @serenawilliams för denna fantastiska prestation!!!! Vad en historisk final- båda är sanna mästare @Venuseswilliams
Pat Cash på Twitter: Serena Williams fortsätter att göra historia med sina 23 GS. Helt otroligt! Ytterligare befästa hennes plats bland de största idrottsmän någonsin
Serena Williams slog syster Venus i raka drag för att vinna sin sjunde Australian Open och en Open-era skiva 23:e Grand Slam singlar titel.