Dos años después trabajó en Mork & Mindy, una serie de televisión en la que interpretó a un extraterrestre, con el que obtuvo un éxito arrollador. La serie continuó durante años y Williams corría el riesgo de quedarse encasillado en el papel. Por ello la abandonó e hizo una primera película de cine, que pasó inadvertida. Su verdadero debut lo tuvo en Popeye, de Robert Altman, película que no consiguió el éxito esperado, pero que sí dio a conocer a Williams a las audiencias de cine. Su siguiente película fue The World According to Garp, de George Roy Hill, en la que interpretó a un personaje difícil, agradable pero no cómico. Williams también superó esta prueba de forma brillante e incrementó su popularidad.
En 1967 la familia de Williams se trasladó a Marina County, en California. En el colegio en el que continuó sus estudios, se despertó su interés por el teatro. A raíz de ello abandonó los estudios de política, con la intención de iniciar una carrera de actor. La casualidad le llevó a ingresar en la prestigiosa academia de interpretación Juilliard School en Nueva York. Tres años después, Williams regresó a California y se instaló en San Francisco, buscando su oportunidad para actuar en comedias teatrales. En 1976 tuvo una prueba y fue contratado, lo que marcó el inicio de su carrera.
Entre 1987 y 1991 Williams actuó entre otras en tres películas que le valieron una nominación al Óscar como mejor actor principal. La primera fue Buenos Días, Vietnam, en la que interpretó a un locutor de radio del ejército durante la guerra de Vietnam. La segunda nominación la ganó por El club de los poetas muertos (Dead Poets Society), en la que su papel fue de profesor de literatura de un colegio, y la tercera por El rey pescador (The Fisher King) en la que interpreta a un vagabundo.
Su talento en cambiar la voz e imitar acentos le permitió hacer papeles hilarantes, como en La señora Doubtfire (papá por siempre). En la década de los 90, Williams alternó papeles cómicos con interpretaciones dramáticas realizando papeles de perfiles psicológicos muy complejos como es el caso del film Retratos de una obsesión, y se convirtió en uno de los grandes actores contemporáneos. Desde el principio de su carrera Williams luchó con gran esfuerzo para conservar su personalidad única como humorista y para convertirse al mismo tiempo en un excelente actor de carácter. Tenía claro que no debía perder sus cualidades propias, pero que necesitaba dominar la interpretación para ser alguien en el mundo del cine. Consiguió ciertamente realizar su objetivo. Considerado un actor de gran versatilidad tanto en comedia como en drama, gana finalmente el tardío reconocimiento de la Academia, que le otorga el Óscar por su actuación en Good Will Hunting, filmada en 1997.
