După ce familia sa s-a mutat în Marin County, Williams și-a început cariera făcând spectacole de stand-up comedy în San Francisco Bay Area la mijlocul anilor 1970. Primul său spectacol a avut loc la Holy City Zoo, un club de comedie din San Francisco, unde a urcat de la barman la scenă.
Williams a devenit celebru pentru rolul lui Mork din serialul de televiziune Mork & Mindy (1978-1982). Idolul său, Jonathan Winters, a apărut și el în acest serial. Williams a urmat o carieră de succes atât în comedia de stand-up, cât și în actoria de film.
A jucat în filmele The World According to Garp, Good Morning, Vietnam, Dead Poets Society, Awakenings, The Fisher King, Good Will Hunting, Popeye, Hook, Aladdin, Mrs. Doubtfire, Jumanji, The Birdcage, Night at the Museum și Happy Feet.
Williams a apărut în videoclipul piesei "Don't Worry, Be Happy" de Bobby McFerrin. În 2013, Williams a jucat rolul președintelui Dwight D. Eisenhower în filmul "The Butler", de Lee Daniels.
Înainte de moartea sa, Williams a jucat în comedia de scurtă durată The Crazy Ones. Aceasta a fost anulată cu puțin timp înainte de moartea sa.
Odată, Williams s-a supărat pe Disney pentru că a folosit vocea sa ca geniu în Aladdin pentru a vinde marfă pentru film. Disney a încercat să îi ceară scuze lui Williams. Compania Disney i-a cumpărat un tablou de Picasso.
Premii
Williams a fost nominalizat de trei ori la Premiul Oscar pentru cel mai bun actor. A primit premiul Oscar pentru cel mai bun actor în rol secundar pentru interpretarea sa din Good Will Hunting. A primit două premii Emmy, patru premii Globul de Aur, două premii Screen Actors Guild și cinci premii Grammy.