Williams debytoi elokuvissa vuoden 1975 trillerielokuvassa Tappava sankari. Seuraavana vuonna hän teki sivuosan elokuvassa The Ritz, jossa hän näytteli kitisevää yksityisetsivää, joka etsii epäiltyä homokylpylästä. Hän nousi maailman tietoisuuteen vuonna 1979, kun hän näytteli George Bergeriä Miloš Formanin elokuvassa Hair, joka perustui vuoden 1967 Broadway-musikaaliin. Williams oli ehdolla Golden Globe -palkinnon saajaksi roolistaan elokuvassa. Hän oli esillä Playgirl-lehden helmikuun 1980 numerossa. Hän on myöhemmin esiintynyt yli 75 elokuvassa ja useissa televisiosarjoissa. Merkittäviä elokuvia ovat mm: 1941 (1979), Olipa kerran Amerikassa (1984), Dead Heat (1988), Things to Do in Denver When You’re Dead (1995) ja Deep Rising (1998).
Williamsin toinen Golden Globe -ehdokkuus oli hänen pääroolistaan Sidney Lumetin elokuvassa Prince of the City (1981). Kolmas ehdokkuus oli hänen suorituksestaan Stanley Kowalskin roolissa televisioesityksessä A Streetcar Named Desire. Vuonna 1996 Academy of Television Arts & Sciences oli ehdolla parhaan miespääosan Emmy-palkinnon saajaksi työstään HBO:n elokuvassa The Late Shift, jossa hän esitti agentti Michael Ovitzia.
Vuonna 1996 hän esitti pahis Xander Draxia Paramountin suuren budjetin sarjakuvasovituksessa The Phantom, jossa Williamsin hahmo teki parhaansa vallatakseen maailman ja tappaakseen Billy Zanen esittämän salaperäisen supersankarin.
Williamsin uraan kuuluu myös lukuisia näyttämörooleja. Hän voitti Drama League Award -palkinnon työstään Stephen Sondheimin Folliesin Broadway-elvytyksessä ja toisen palkinnon roolistaan off-Broadwayn Captains Courageous -näytelmän off-Broadway-tuotannossa. Muita merkittäviä Broadway-esityksiä ovat Grease, Shermanin veljesten Over Here!, Once in a Lifetime, Pirates of Penzance ja Love Letters, ja Broadwayn ulkopuolella hän on esiintynyt David Mametin Oleannassa ja Oh, Hellissä (Lincoln Centerissä), Some Men Need Helpissä ja Randy Newmanin Maybe I’m Doing It Wrongissa. Hän sai ensi-iltansa Los Angelesin Love Letters -näytelmässä ja esiintyi War Letters -näytelmässä Canon-teatterissa Los Angelesissa.
Williams näytteli pääroolin tohtori Andrew Brownina WB:n televisiosarjassa Everwood, joka kertoo newyorkilaisesta neurokirurgista, joka muuttaa perheensä Coloradoon. Vaikka sarjan katsojaluvut eivät koskaan olleet huikeita, se sai kriitikoiden suosiota ja sillä oli uskollinen seuraajakunta. Williams sai kaksi SAG Award -ehdokkuutta (2003 ja 2004) roolistaan sarjassa.
Williams on esiintynyt useita kertoja vierailevana esiintyjänä ABC:n draamasarjassa Brothers & Sisters David Mortonina, joka on Sally Fieldin hahmon ystävä ja mahdollinen kosija. Hän näytteli TNT:n lyhytikäisessä Heartland-sarjassa Nathaniel Grantina, mutta sarja lopetettiin heikkojen katsojalukujen vuoksi. Hän näytteli myös Lifetime-elokuvassa Staircase Murders, joka esitettiin 15. huhtikuuta 2007.
Williams näytteli Hallmark Hall of Fame -elokuvassa Beyond the Blackboard entisen Everwood-tähtiystävänsä Emily VanCampin kanssa. Se esitettiin ensimmäisen kerran CBS:llä 24. huhtikuuta 2011.
Williams vuonna 2008
Williams esiintyy CBS:n tv-pilottielokuvassa Peachtree Lines pormestari Lincoln Rylanina. Sarjassa tarkastellaan poliittisia, sosiaalisia ja kulttuurisia kysymyksiä Atlantassa.
Williams on työskennellyt myös ohjaajana ja voittanut kaksi festivaalipalkintoa ohjauksestaan Texan Showtimen Chanticleer Films -sarjassa.
Thora Birchin kanssa The Etruscan Smile -elokuvan kuvauksissa
Williams näyttelee tällä hetkellä Mick O’ Brienin roolia Hallmark-kanavan televisiosarjassa nimeltä Chesapeake Shores, joka pyörii alunperin elokuusta 2016 nykyhetkeen.
Hänellä oli myös toistuva rooli Chicago Fire -sarjassa Kelly Severiden isänä, Benny Severidenä, kunnes hänen hahmonsa kuoli kaudella 7.
Williams on kirjoittanut lastenkirjan Air Show! jonka on kuvittanut Robert Neubecker ja jonka Disney/Hyperion Books julkaisi vuonna 2010). Kolmen ja seitsemän vuoden ikäisille lapsille suunnattu kirja dokumentoi leikkisästi lentonäytöselämyksen yksinkertaisella tekstillä ja rohkeilla kuvituksilla, jotka esittävät muun muassa Boeing B-17:n, Pitts Special -kaksitasokoneen ja Yhdysvaltain laivaston Blue Angel F/A-18:n.