Williams 1975-ben debütált a Halálos hős című thrillerfilmben. A következő évben mellékszerepet játszott a The Ritz című filmben, egy nyikorgó hangú magánnyomozót, aki egy melegfürdőben keresi gyanúsítottját. A világ számára 1979-ben vált ismertté, amikor George Berger szerepében feltűnt Miloš Forman Hair című filmjében, amely az 1967-es Broadway-musical alapján készült. Williams-t Golden Globe-díjra jelölték a filmben nyújtott alakításáért. A Playgirl magazin 1980. februári számában szerepelt. Ezután több mint 75 filmben és számos televíziós sorozatban szerepelt. Nevezetes filmjei többek között a következők: (1979), Once Upon A Time In America (1984), Dead Heat (1988), Things to Do in Denver When You’re Dead (1995) és Deep Rising (1998).
Williams második Golden Globe-jelölését Sidney Lumet A város hercege (1981) című filmjének főszerepéért kapta. Harmadik jelölését az A Streetcar Named Desire televíziós bemutatójában Stanley Kowalski szerepéért kapta. 1996-ban a Televíziós Művészeti & Tudományos Akadémia a legjobb színésznek járó Emmy-díjra jelölte a The Late Shift című HBO-filmben nyújtott alakításáért, amelyben Michael Ovitz ügynököt alakította.
1996-ban a Paramount nagy költségvetésű képregényadaptációjában, A fantomban játszotta a gonosztevő Xander Draxot, amelyben Williams karaktere mindent megtett azért, hogy átvegye a világuralmat és megölje Billy Zane titokzatos szuperhősét.
Williams karrierje számos színpadi szerepet is tartalmaz. Drama League-díjat nyert a Stephen Sondheim Follies című Broadway-felújításában nyújtott munkájáért, egy másikat pedig a Captains Courageous című off-Broadway produkció főszerepéért. További jelentős Broadway-előadások közé tartozik a Grease, a Sherman Brothers Over Here!, a Once in a Lifetime, a Pirates of Penzance és a Love Letters, a Broadwayn kívül pedig David Mamet Oleanna és Oh, Hell (a Lincoln Centerben), a Some Men Need Help és Randy Newman Maybe I’m Doing It Wrong című darabjában játszott. Ő mutatta be a Love Letters Los Angeles-i előadását, és szerepelt a War Letters-ben a Los Angeles-i Canon Theatre-ben.
Williams főszerepet játszott Dr. Andrew Brown szerepében a WB Everwood című televíziós sorozatában, amely egy New York-i idegsebészről szól, aki családjával Coloradóba költözik. Bár a sorozat nézettsége sosem volt látványos, a kritikusok elismerését elnyerte, és hűséges követői voltak. Williams két SAG-díj jelölést kapott (2003-ban és 2004-ben) a sorozatban játszott szerepéért.
Williams többször vendégszerepelt az ABC testvérek című drámájában & Sisters, mint David Morton, Sally Field karakterének barátja és potenciális udvarlója. Szerepelt a TNT rövid életű Heartland című sorozatában Nathaniel Grant szerepében, de a sorozatot az alacsony nézettség miatt törölték. Szerepelt egy Lifetime filmben is, a Staircase Murders-ben, amelyet 2007. április 15-én adtak le.
Williams szerepelt egy Hallmark Hall of Fame filmben, a Beyond the Blackboard-ban, korábbi Everwood társával, Emily VanCamp-pel. A CBS 2011. április 24-én sugározta először.
Williams 2008-ban
Williams a CBS Peachtree Lines című televíziós pilotjában tűnik fel Lincoln Rylan polgármesterként. A sorozat Atlanta politikai, társadalmi és kulturális kérdéseit vizsgálja.
Williams rendezőként is dolgozott, két fesztiváldíjat nyert a Showtime Chanticleer Films sorozatában a Texan rendezéséért.
Thora Birch-csel az Etruszk mosoly forgatásán
Williams jelenleg Mick O’ Brien szerepét játssza a Hallmark Channel Chesapeake Shores című televíziós sorozatában, amelyet eredetileg 2016 augusztusától napjainkig sugároznak.
A Chicago Fire-ben is volt egy visszatérő szerepe, mint Kelly Severide apja, Benny Severide, egészen karaktere haláláig a 7. évadban.
Williams egy gyerekkönyv szerzője, Air Show! amelyet Robert Neubecker illusztrált, és 2010-ben a Disney/Hyperion Books adott ki). A három és hét év közötti gyerekeknek szóló könyv játékos módon dokumentál egy légi bemutatót egyszerű szöveggel és merész illusztrációkkal, amelyeken olyan repülőgépek láthatók, mint egy Boeing B-17, egy Pitts Special kétfedelű repülőgép és az amerikai haditengerészet Blue Angel F/A-18-as repülőgépe.