Williams poprvé zaujal publikum svou rolí v úspěšném seriálu Mork & Mindy a na stříbrném plátně debutoval v titulní roli filmu Roberta Altmana Pepek námořník. Mezi jeho další rané filmy patří Moskva na Hudsonu Paula Mazurskyho či Svět podle Garpa, který natočil George Roy Hill podle knihy Johna Irvinga.
Do jeho filmografie patří také několik velkých blockbusterů. V roce 1991 si zahrál dvojroli ve filmu Stevena Spielberga Hook a o dva roky později zazářil v komedii Chrise Columbuse Mrs. Doubtfire – táta v sukni. Velký úspěch oslavilo také komediální drama Ptačí klec, za nějž dostali herci kolektivní cenu SAG pro nejlepší herecké obsazení. Dalšími hity byly filmy Flubber a Doktor Flastr.
Jistým odklonem od rodinných filmů pak byly dramatické role, které ztvárnil ve thrillerech dvou mladých režisérů. Ve filmu Insomnie Christophera Nolana si zahrál hlavního podezřelého z vraždy mladé dívky a ve snímku Expres foto Marka Romanka ztvárnil zaměstnance fotolabu, který je posedlý životem jedné mladé rodiny.
Svůj hlas propůjčil postavě modrého džina ve filmu Aladin a jednomu z hrdinů úspěšného animovaného filmu Roboti. Audio nahrávky jeho sólových vystoupení mu vynesly pět cen Grammy.
Williams je také úspěšným jevištním komikem – se svou one man show navštívil v rámci jednoho turné 36 měst. Poslední vystoupení bylo odvysíláno živě z New Yorku na kanálu HBO.
Williams se také věnuje rozsáhlé charitativní činnosti.
Jedním z posledních filmů v našich kinech, kde jsme mohli tohoto herce spatřit, byl film Noc v muzeu, kde zahrál postavu Teddyho Roosevelta.