Nadat zijn familie naar Marin County was verhuisd, begon Williams zijn carrière met stand-up comedy shows in de San Francisco Bay Area in het midden van de jaren zeventig. Zijn eerste optreden vond plaats in de Holy City Zoo, een comedyclub in San Francisco, waar hij zich opwerkte van barkeeper tot acteur.
Williams werd bekend door zijn rol als Mork in de televisieserie Mork & Mindy (1978-1982). Zijn idool Jonathan Winters verscheen ook in de show. Williams vervolgde een succesvolle carrière in zowel stand-up comedy als filmacteren.
Hij acteerde in de films 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 en Happy Feet.
Williams verscheen in de videoclip voor "Don't Worry, Be Happy" van Bobby McFerrin. In 2013 speelde Williams de rol van president Dwight D. Eisenhower in The Butler van Lee Daniels.
Voor zijn dood speelde Williams in de kortstondige komedie The Crazy Ones. Deze werd kort voor zijn dood geannuleerd.
Williams werd ooit boos op Disney omdat hij zijn stem als de geest in Aladdin gebruikte om merchandise voor de film te verkopen. Disney probeerde Williams zijn excuses aan te bieden. Het Disney bedrijf kocht een Picasso schilderij voor hem.
Prijzen
Williams werd drie keer genomineerd voor de Academy Award voor Beste Acteur. Hij ontving de Academy Award voor Beste Bijrol voor zijn optreden in Good Will Hunting. Hij ontving twee Emmy Awards, vier Golden Globe Awards, twee Screen Actors Guild Awards en vijf Grammy Awards.