Dopo che la sua famiglia si trasferì a Marin County, Williams iniziò la sua carriera facendo spettacoli di stand-up comedy nella San Francisco Bay Area a metà degli anni '70. La sua prima esibizione ha avuto luogo all'Holy City Zoo, un comedy club di San Francisco, dove si è fatto strada dal bar fino a salire sul palco.
Williams è diventato famoso per il suo ruolo di Mork nella serie televisiva Mork & Mindy (1978-1982). Anche il suo idolo Jonathan Winters è apparso nello show. Williams ha proseguito con una carriera di successo sia nella stand-up comedy che nella recitazione cinematografica.
Ha recitato nei film Il mondo secondo Garp, Good Morning, Vietnam, L'attimo fuggente, Risvegli, Ilre pescatore, Good Will Hunting, Popeye, Hook, Aladdin, Mrs. Doubtfire, Jumanji, The Birdcage, Notte al museo e Happy Feet.
Williams è apparso nel video musicale per "Don't Worry, Be Happy" di Bobby McFerrin. Nel 2013, Williams ha interpretato il presidente DwightD. Eisenhower in The Butler di Lee Daniels.
Prima della sua morte, Williams ha recitato nella commedia di breve durata The Crazy Ones. Fu cancellata poco prima della sua morte.
Una volta Williams si arrabbiò con la Disney per aver usato la sua voce come genio in Aladdin per vendere il merchandising del film. La Disney cercò di scusarsi con Williams. La Disney comprò per lui un quadro di Picasso.
Premi
Williams è stato nominato tre volte all'Oscar per il miglior attore. Ha ricevuto il premio Oscar come miglior attore non protagonista per la sua interpretazione in Good Will Hunting. Ha ricevuto due Emmy Awards, quattro Golden Globe Awards, due Screen Actors Guild Awards e cinque Grammy Awards.