تحصیلاتش را در رشته ی نمایش جولیارد به پایان برد. کارش را با صحنه آغاز کرد و با بازی در مجموعه تلویزیونی «مورک و میندی» (1978) شناخته شد. در واقع همین نقش، توجه کارگردان های سینما را به سویش جلب کرد.

رابرت آلتمن برای نخستین بار نقش اصلی «پاپای» یا «ملوان زبل» را به او سپرد. شیوه های بدیهه پردازانه و غیرمعمول او تا اواسط دهه 1980، یعنی تا زمان ایفای نقش در «صبح بخیر ویتنام»، برجستگی کافی نداشت. به خاطر این فیلم نامزد دریافت اسکار بهترین بازیگر نقش اول شد. دو فیلم دیگری که به ترتیب برایش دومین و سومین نامزدی اسکار را به ارمغان آورد، «انجمن شاعران مرده» و «سلطان ماهی گیر» بودند.ویلیامز در این فیلم ها توانست سبک کارش را گسترش دهد و به بیان "معصومانه"اش عمق بیشتری بخشد.

از ویژگی دیگر ویلیامز که به خاطر آن شهرت دارد، صدای او است که در چند فیلم انیمیشن از جمله «علاءالدین» (1992، در نقش "جینی"، غول چراغ جادو از آن استفاده کرده است. در «خانم داتفایر» نیز به طور همزمان از نیروی بازیگری و توانایی تغییر صدایش استفاده کرد. او در این فیلم نقش مردی را داشت که از همسرش جدا شده است و برای اینکه بتواند فرزندانش را ببیند به صورت یک خانم پرستار، تغییر قیافه می دهد.

ویلیامز صاحب یک کمپانی تولید فیلم نیز بود و از دهه 1980 با بیلی کریستال و ووپی گلدبرگ به نفع افراد بی خانمان برنامه های کمدی اجرا می کرد. او جایزه اسکار بهترین بازیگر نقش مکمل را برای «ویل هانتینگ خوب» به دست آورد. همسر نخستش، والری ولاردی (1978 تا 1988) بازیگر است و همسر دومش، مارشا گریس (از 1989 تا زمان مرگ)، تهیه کننده.