Williams fik sin filmdebut i thrillerfilmen Deadly Hero fra 1975. Året efter spillede han en birolle i The Ritz, hvor han spillede en pibende privatdetektiv, der leder efter sin mistænkte i et bøssebadehus. Han blev verdenskendt i 1979, da han spillede hovedrollen som George Berger i Miloš Forman-filmen Hair, der var baseret på Broadway-musicalen fra 1967. Williams blev nomineret til en Golden Globe Award for sin rolle i filmen. Han blev omtalt i februar 1980-udgaven af magasinet Playgirl. Han har efterfølgende medvirket i over 75 film og flere tv-serier. Bemærkelsesværdige film omfatter: 1941 (1979), Once Upon A Time In America (1984), Dead Heat (1988), Things to Do in Denver When You’re Dead (1995) og Deep Rising (1998).
Williams’ anden Golden Globe-nominering var for hans hovedrolle i Sidney Lumets Prince of the City (1981). Hans tredje nominering var for hans præstation som Stanley Kowalski i tv-præsentationen af A Streetcar Named Desire. I 1996 blev han nomineret til en Emmy Award for bedste skuespiller af Academy of Television Arts & Sciences for sin medvirken i The Late Shift, en HBO-film, hvor han portrætterede agenten Michael Ovitz.
I 1996 spillede han skurken Xander Drax i Paramounts storbudget-tegneserieforfilmning The Phantom, hvor Williams’ karakter gjorde sit bedste for at overtage verden og dræbe Billy Zanes mystiske superhelt.
Williams’ karriere omfatter adskillige roller på scenen. Han vandt en Drama League Award for sit arbejde i Broadway-genopførelsen af Stephen Sondheims Follies og en anden for sin hovedrolle i off-broadway-produktionen af Captains Courageous. Andre bemærkelsesværdige Broadway-shows omfatter Grease, Sherman Brothers’ Over Here!, Once in a Lifetime, Pirates of Penzance og Love Letters, og off-Broadway har han medvirket i David Mamets Oleanna og Oh, Hell (på Lincoln Center), Some Men Need Help og Randy Newmans Maybe I’m Doing It Wrong. Han havde premiere på Los Angeles-opsætningen af Love Letters og optrådte i War Letters på Canon Theatre i Los Angeles.
Williams spillede hovedrollen som Dr. Andrew Brown i WB tv-serien Everwood, der handler om en neurokirurg fra New York City, der flytter sin familie til Colorado. Selv om seriens seertal aldrig var spektakulære, vandt den kritikerroste anerkendelse og havde en hengiven skare af tilhængere. Williams modtog to SAG Award-nomineringer (2003 og 2004) for sin rolle i serien.
Williams har haft flere gæsteoptrædener i ABC-dramaet Brothers & Sisters som David Morton, en ven og potentiel bejler til Sally Fields karakter. Han spillede med i den kortvarige serie Heartland på TNT som Nathaniel Grant, men serien blev aflyst på grund af lave seertal. Han medvirkede også i en Lifetime-film, Staircase Murders, som blev sendt den 15. april 2007.
Williams medvirkede i en Hallmark Hall of Fame-film, Beyond the Blackboard, med sin tidligere Everwood-medspiller, Emily VanCamp. Den blev sendt første gang på CBS den 24. april 2011.
Williams i 2008
Williams medvirker i CBS tv-pilotfilmen Peachtree Lines som borgmester Lincoln Rylan. Serien er en undersøgelse af politiske, sociale og kulturelle spørgsmål i Atlanta.
Williams har også arbejdet som instruktør og har vundet to festivalpriser for at instruere Texan i Showtime’s Chanticleer Films-serie.
Med Thora Birch på settet af The Etruscan Smile
Williams spiller i øjeblikket en rolle som Mick O’ Brien i en tv-serie på Hallmark Channel ved navn Chesapeake Shores, der oprindeligt blev sendt fra august 2016 til nu.
Han havde også en tilbagevendende rolle i Chicago Fire som Kelly Severides far, Benny Severide, indtil hans figurs død i sæson 7.
Williams har forfattet en børnebog, Air Show! illustreret af Robert Neubecker, udgivet i 2010 af Disney/Hyperion Books). Bogen henvender sig til et publikum af børn i alderen tre til syv år og dokumenterer på en legende måde en flyshow-oplevelse med enkel tekst og fede illustrationer af fly som en Boeing B-17, en Pitts Special biplan og US Navy’s Blue Angel F/A-18.