Williams gjorde sin filmdebut i thrillerfilmen Deadly Hero från 1975. Året därpå spelade han en biroll i The Ritz, en pipig privatdetektiv som letar efter sin misstänkte på ett bögbadhus. Han uppmärksammades världen över 1979 när han spelade huvudrollen som George Berger i Miloš Formans film Hair, som var baserad på Broadwaymusikalen från 1967. Williams nominerades till en Golden Globe Award för sin roll i filmen. Han var med i februari 1980 års upplaga av tidningen Playgirl. Han har därefter medverkat i över 75 filmer och flera tv-serier. Bland de mest uppmärksammade filmerna kan nämnas: 1941 (1979), Once Upon A Time In America (1984), Dead Heat (1988), Things to Do in Denver When You’re Dead (1995) och Deep Rising (1998).
Williams andra Golden Globe-nominering var för hans huvudroll i Sidney Lumets Prince of the City (1981). Hans tredje nominering var för hans roll som Stanley Kowalski i TV-presentationen av A Streetcar Named Desire. År 1996 nominerades han av Academy of Television Arts & Sciences till en Emmy Award för bästa skådespelare för sitt arbete i The Late Shift, en HBO-film, där han porträtterade agenten Michael Ovitz.
År 1996 spelade han skurken Xander Drax i Paramounts storskaliga serietidningsadaption The Phantom, där Williams karaktär gjorde sitt bästa för att ta över världen och döda Billy Zanes mystiska superhjälte.
Williams karriär innefattar ett flertal scenroller. Han vann ett Drama League Award för sitt arbete i Broadway-revyn av Stephen Sondheims Follies, och ett annat för sin huvudroll i off-Broadway-produktionen av Captains Courageous. Andra anmärkningsvärda Broadwayföreställningar är Grease, Sherman Brothers’ Over Here!, Once in a Lifetime, Pirates of Penzance och Love Letters, och utanför Broadway har han medverkat i David Mamets Oleanna och Oh, Hell (på Lincoln Center), Some Men Need Help och Randy Newmans Maybe I’m Doing It Wrong. Han hade premiär i Los Angeles produktion av Love Letters och medverkade i War Letters på Canon Theatre i Los Angeles.
Williams spelade huvudrollen som Dr Andrew Brown i WB:s tv-serie Everwood, om en neurokirurg från New York som flyttar sin familj till Colorado. Även om seriens tittarsiffror aldrig var spektakulära vann den kritikerros och hade en hängiven följarskara. Williams fick två SAG Award-nomineringar (2003 och 2004) för sin roll i serien.
Williams har gjort flera gästspel i ABC-dramat Brothers & Sisters som David Morton, en vän och potentiell friare till Sally Fields karaktär. Han medverkade i den kortlivade serien Heartland på TNT som Nathaniel Grant, men serien lades ner på grund av låga tittarsiffror. Han medverkade också i en Lifetime-film, Staircase Murders, som sändes den 15 april 2007.
Williams medverkade i en Hallmark Hall of Fame-film, Beyond the Blackboard, med sin tidigare Everwood-medspelare Emily VanCamp. Den sändes första gången på CBS den 24 april 2011.
Williams 2008
Williams medverkar i CBS tv-pilotfilmen Peachtree Lines som borgmästare Lincoln Rylan. Serien är en undersökning av politiska, sociala och kulturella frågor i Atlanta.
Williams har också arbetat som regissör och vunnit två festivalpriser för att regissera Texan i Showtimes serie Chanticleer Films.
Med Thora Birch på inspelningsplatsen för The Etruscan Smile
Williams spelar för närvarande en roll som Mick O’ Brien i en tv-serie på Hallmark Channel som heter Chesapeake Shores och som ursprungligen sändes i augusti 2016 till idag.
Han hade också en återkommande roll i Chicago Fire som Kelly Severides far, Benny Severide, fram till hans karaktärs död i säsong 7.
Williams har skrivit en barnbok, Air Show!, illustrerad av Robert Neubecker, utgiven 2010 av Disney/Hyperion Books). Boken riktar sig till barn i åldrarna tre till sju år och dokumenterar på ett lekfullt sätt en flygshowupplevelse med enkel text och djärva illustrationer av flygplan som en Boeing B-17, ett Pitts Special biplan och den amerikanska flottans Blue Angel F/A-18.