Williams zadebiutował w filmie sensacyjnym z 1975 roku w filmie Deadly Hero. W następnym roku zagrał drugoplanową rolę w filmie The Ritz, piskliwym głosem prywatnego detektywa poszukującego swojego podejrzanego w gejowskiej łaźni. Światową uwagę zwrócił na siebie w 1979 roku, kiedy zagrał rolę George’a Bergera w filmie Miloša Formana Hair, opartym na broadwayowskim musicalu z 1967 roku. Za rolę w tym filmie Williams otrzymał nominację do Złotego Globu. W lutym 1980 roku pojawił się w magazynie Playgirl. Wystąpił w ponad 75 filmach i kilku serialach telewizyjnych. Do najbardziej znanych filmów należą: 1941 (1979), Once Upon A Time In America (1984), Dead Heat (1988), Things to Do in Denver When You’re Dead (1995) oraz Deep Rising (1998).
Druga nominacja do Złotego Globu dla Williamsa była za jego główną rolę w filmie Sidneya Lumeta Prince of the City (1981). Jego trzecia nominacja była za rolę Stanleya Kowalskiego w telewizyjnej prezentacji Tramwaju zwanego pożądaniem. W 1996 roku został nominowany do nagrody Emmy dla najlepszego aktora przez Academy of Television Arts & Sciences za pracę w filmie HBO The Late Shift, w którym sportretował agenta Michaela Ovitza.
W 1996 roku zagrał złoczyńcę Xandera Draxa w wielkobudżetowej adaptacji komiksowej Paramountu The Phantom, w której postać Williamsa robiła wszystko, aby przejąć władzę nad światem i zabić tajemniczego superbohatera Billy’ego Zane’a.
W karierze Williamsa znalazły się liczne role sceniczne. Zdobył nagrodę Drama League Award za pracę w broadwayowskim odrodzeniu Follies Stephena Sondheima, a także za rolę w off-Broadwayowskiej produkcji Captains Courageous. Inne znaczące przedstawienia na Broadwayu to Grease, The Sherman Brothers’ Over Here!, Once in a Lifetime, Pirates of Penzance i Love Letters, a na off-Broadwayu wystąpił w Oleanna i Oh, Hell Davida Mameta (w Lincoln Center), Some Men Need Help i Maybe I’m Doing It Wrong Randy’ego Newmana. Miał premierę produkcji Love Letters w Los Angeles i wystąpił w War Letters w Canon Theatre w Los Angeles.
Williams zagrał główną rolę jako dr Andrew Brown w serialu telewizyjnym WB Everwood, o nowojorskim neurochirurgu, który przenosi swoją rodzinę do Kolorado. Chociaż wyniki oglądalności serialu nigdy nie były spektakularne, zdobył on uznanie krytyków i miał oddanych fanów. Williams otrzymał dwie nominacje do nagrody SAG (2003 i 2004) za rolę w serialu.
Williams wystąpił kilka razy gościnnie w dramacie ABC Bracia & Siostry jako David Morton, przyjaciel i potencjalny zalotnik postaci Sally Field. Wystąpił w krótkotrwałej serii Heartland na TNT jako Nathaniel Grant, ale seria została anulowana z powodu niskiej oglądalności. On również wystąpił w filmie Lifetime, Staircase Murders, który wyemitowany 15 kwietnia 2007.
Williams wystąpił w Hallmark Hall of Fame filmu, Beyond the Blackboard, z jego byłym Everwood co-star, Emily VanCamp. Został on po raz pierwszy wyemitowany na CBS 24 kwietnia 2011 r.
Williams w 2008 roku
Williams pojawia się w pilocie telewizyjnym CBS Peachtree Lines jako burmistrz Lincoln Rylan. Serial jest badaniem kwestii politycznych, społecznych i kulturowych w Atlancie.
Williams pracował również jako reżyser, zdobywając dwie nagrody festiwalowe za reżyserię Texan w serii Showtime’s Chanticleer Films.
Z Thorą Birch na planie filmu The Etruscan Smile
Williams gra obecnie rolę Micka O’ Briena w serialu telewizyjnym Hallmark Channel o nazwie Chesapeake Shores emitowanym pierwotnie od sierpnia 2016 do chwili obecnej.
Miał również powracającą rolę w Chicago Fire jako ojciec Kelly Severide, Benny Severide aż do śmierci jego postaci w sezonie 7.
Williams jest autorem książki dla dzieci, Air Show! ilustrowanej przez Roberta Neubeckera, opublikowanej w 2010 roku przez Disney/Hyperion Books). Skierowana do dzieci w wieku od trzech do siedmiu lat, książka zabawnie dokumentuje doświadczenie pokazów lotniczych za pomocą prostego tekstu i odważnych ilustracji takich samolotów jak Boeing B-17, dwupłatowiec Pitts Special i Błękitny Anioł Marynarki Wojennej USA F/A-18.
.