Poté, co se jeho rodina přestěhovala do Marin County, začal Williams v polovině 70. let 20. století vystupovat ve stand-up komediích v oblasti Sanfranciského zálivu. Jeho první vystoupení se konalo v Holy City Zoo, komediálním klubu v San Francisku, kde se z obsluhy baru vypracoval až na pódium.
Williams se proslavil rolí Morka v seriálu Mork & Mindy (1978-1982). V seriálu se objevil i jeho idol Jonathan Winters. Williams pokračoval v úspěšné kariéře stand-up komika i filmového herce.
Hrál ve filmech Svět podle Garpa, Dobré ráno, Vietname, Společnost mrtvých básníků, Probuzení, Král rybář, Dobrý Will Hunting, Pepek námořník, Hook, Aladin, Paní Doubtfireová, Jumanji, Ptačí klec, Noc v muzeu a Happy Feet.
Williams se objevil ve videoklipu k písni Don't Worry, Be Happy od Bobbyho McFerrina. V roce 2013 si Williams zahrál roli prezidenta Dwighta D. Eisenhowera ve filmu Komorník režiséra Lee Danielse.
Před svou smrtí si Williams zahrál v krátce vysílané komedii The Crazy Ones. Ta byla krátce před jeho smrtí zrušena.
Jednou se Williams rozzlobil na společnost Disney, že použila jeho hlas jako džina ve filmu Aladin k prodeji zboží k tomuto filmu. Společnost Disney se Williamsovi snažila omluvit. Společnost Disney pro něj koupila Picassův obraz.
Ocenění
Williams byl třikrát nominován na Oscara za nejlepší mužský herecký výkon. Oscara za nejlepší mužský herecký výkon ve vedlejší roli získal za výkon ve filmu Dobrý Will Hunting. Získal dvě ceny Emmy, čtyři Zlaté glóby, dvě ceny Screen Actors Guild a pět cen Grammy.