Свою карьеру Уильямс начинал в качестве стендап-комика. На этом поприще ему удалось достичь больших успехов. О нем говорили, что он способен рассмешить даже мебель.
Первую роль в кино Робину удалось сыграть в 1978 г. Режиссер Гэрри Маршалл предложил ему сняться в сериале «Счастливые дни». После успешного дебюта начинающего актера пригласили в комедийное шоу «Морк и Минди», которое выходило на экраны в течение 4-х сезонов.
Уже в 1979 г. за исполнение роли пришельца Морка Уильямс получил премию «Золотой глобус». Его популярность в тот период просто зашкаливала. Фотографии Робина стали часто появляться на страницах крупных журналов и газет. Сам он был регулярным гостем различных телевизионных шоу.
Первой крупной киноролью стал моряк Попай в одноименном кинофильме. Картина пользовалась большим успехом у зрителей. Вторую крупную роль актер сыграл в фильме «Доброе утро, Вьетнам». Она принесла ему второй «Золотой глобус» и первую номинацию на «Оскара».
В промежутках между съемками Уильямс продолжает выпускать персональные шоу. За свое сольное мастерство в 1986 году он был удостоен высшей награды – приглашения вести церемонию Оскар вместе с Джейн Фондой.
Последующие номинации на самую высокую премию Уильямс получил за свои работы в кинолентах «Общество мертвых поэтов»(1988 г.) и «Король-рыбак» (1991г.). В 1991 г. он сыграл ставшую очень известной роль Питера Пэна в фильме «Капитан Крюк». Следующей удачной работой была комедия «Миссис Даутфайр». Она подтвердила разносторонность таланта актера и его способность воплощать на экране любые образы. Оскароносной для Уильямса стала роль психолога Шона Магуайра в драме «Умница Уилл Хантинг».
Несмотря на то, что Робина называли комиком, многие роли в его творческой биографии очень драматичны. Среди созданных им образов робот, влюбленный в собственную хозяйку, педагог, повинный в самоубийстве ученика. Даже знаменитая миссис Даутфайр не так уж и смешна. Ведь герой переоделся женщиной, чтобы видеть своих детей после развода. Переломной в карьере актера стала картина «Общество мертвых поэтов», вышедшая в 1988 г. Роль учителя английской литературы окончательно переместила Робина в разряд серьезных актеров и принесла ему еще одну номинацию.
В 1995 г. Уильям успешно снимается в нашумевшем фильме «Джуманджи» и озвучивает Джинна в диснеевском мультипликационном фильме «Аладдин». Известными актерскими работами стали картины «Двухсотлетний человек», «Психоаналитик». В 2002 г. мастер перевоплощения появляется в весьма необычном образе. Он играет писателя-маньяка в фильме «Бессонница». Довелось Уильямсу успешно сниматься и в фантастических картинах – «Окончательный монтаж», «Ночь в музее» (2004-2006 гг.). В 2005 г. Робин был награжден премией «Золотой глобус» за огромный вклад в киноискусство.
В феврале 2009 г. он приступает к постановке собственного спектакля «Оружие самоуничтожения», который получил номинацию на премию Эмми. Заключительные роли были сыграны актером в фильме «Большая свадьба», мелодраме «Лицо любви» и социальной драме «Дворецкий». Последний из них вышел в 2014 г.
