Williams debutoval v roce 1975 v thrilleru Smrtící hrdina. Následujícího roku si zahrál vedlejší roli ve filmu Ritz, pisklavého soukromého detektiva, který hledá svého podezřelého v gay lázních. Do světového povědomí se dostal v roce 1979, kdy si zahrál roli George Bergera ve filmu Miloše Formana Hair, který byl natočen podle broadwayského muzikálu z roku 1967. Za roli v tomto filmu byl Williams nominován na Zlatý glóbus. V únoru 1980 se objevil v časopise Playgirl. Poté se objevil ve více než 75 filmech a několika televizních seriálech. Mezi nejvýznamnější filmy patří např: 1941 (1979), Tenkrát v Americe (1984), Dead Heat (1988), Things to Do in Denver When You’re Dead (1995) a Deep Rising (1998).
Druhou nominaci na Zlatý glóbus získal Williams za hlavní roli ve filmu Sidneyho Lumeta Princ z města (1981). Třetí nominaci získal za roli Stanleyho Kowalského v televizním uvedení Tramvaje do stanice Touha. V roce 1996 byl Akademií televizního umění & věd nominován na cenu Emmy pro nejlepšího herce za roli ve filmu HBO Pozdní směna, v němž ztvárnil agenta Michaela Ovitze.
V roce 1996 hrál padoucha Xandera Draxe ve velkorozpočtové komiksové adaptaci společnosti Paramount Přízrak, v níž se Williamsova postava snažila ovládnout svět a zabít tajemného superhrdinu Billyho Zanea.
Williamsova kariéra zahrnuje i řadu divadelních rolí. Získal cenu Drama League Award za roli v broadwayském obnovení hry Stephena Sondheima Follies a další za hlavní roli v mimobroadwayské inscenaci Captains Courageous. Mezi další významná broadwayská představení patří Pomáda, Over Here! bratří Shermanů, Once in a Lifetime, Piráti z Penzance a Love Letters, mimo Broadway se objevil ve hrách Davida Mameta Oleanna a Oh, Hell (v Lincoln Center), Some Men Need Help a Maybe I’m Doing It Wrong Randyho Newmana. Měl premiéru v losangeleské inscenaci Love Letters a účinkoval ve hře War Letters v divadle Canon v Los Angeles.
Williams hrál hlavní roli doktora Andrewa Browna v seriálu Everwood televize WB o newyorském neurochirurgovi, který se s rodinou přestěhuje do Colorada. Ačkoli sledovanost seriálu nikdy nebyla velkolepá, získal si uznání kritiků a měl oddané příznivce. Williams byl za svou roli v tomto seriálu dvakrát nominován na cenu SAG (2003 a 2004).
Williams se několikrát objevil jako host v seriálu ABC Brothers & Sisters v roli Davida Mortona, přítele a potenciálního nápadníka postavy Sally Fieldové. Hrál v krátkodobém seriálu Heartland na TNT jako Nathaniel Grant, ale seriál byl zrušen kvůli nízké sledovanosti. Hrál také ve filmu stanice Lifetime Vraždy na schodišti, který se vysílal 15. dubna 2007.
Williams hrál ve filmu Hallmark Hall of Fame Beyond the Blackboard se svou bývalou kolegyní z Everwoodu Emily VanCamp. Poprvé byl odvysílán na stanici CBS 24. dubna 2011.
Williams v roce 2008
Williams se objevil v pilotním filmu televize CBS Peachtree Lines jako starosta Lincoln Rylan. Seriál se zabývá politickými, sociálními a kulturními problémy v Atlantě.
Williams působí také jako režisér, získal dvě festivalová ocenění za režii filmu Texan v cyklu Chanticleer Films společnosti Showtime.
S Thorou Birchovou na natáčení filmu Etruský úsměv
Williams v současnosti hraje roli Micka O‘ Briena v televizním seriálu stanice Hallmark Channel s názvem Chesapeake Shores, který se původně vysílal od srpna 2016 do současnosti.
Měl také stálou roli v seriálu Chicago Fire jako otec Kelly Severideové, Benny Severide, až do smrti své postavy v 7. sérii.
Williams je autorem dětské knihy Air Show! ilustrovanou Robertem Neubeckerem, kterou v roce 2010 vydalo nakladatelství Disney/Hyperion Books). Kniha je určena dětskému publiku ve věku od tří do sedmi let a hravou formou dokumentuje zážitek z letecké show pomocí jednoduchého textu a odvážných ilustrací takových letadel, jako je Boeing B-17, dvouplošník Pitts Special a letoun F/A-18 amerického námořnictva Blue Angel.