"Mork & Mindy" (1978-1982) là bộ phim ấn tượng đầu tiên của Robin Williams. Trong bộ phim hài sitcom ăn khách này, nam diễn viên vào vai một người ngoài hành tinh đến trái đất từ một con tàu vũ trụ hình quả trứng. Ông giành được đề cử Emmy đầu tiên trong đời với vai chính trong phim.

"Good Morning, Vietnam" (1987) giúp Robin giành giải Quả cầu vàng và đề cử Oscar Nam diễn viên chính xuất sắc. Trong phim, ông vào vai Adrian Cronauer, một DJ được phân công nhiệm vụ làm việc tại Đài phát thanh Sài Gòn. Sự hài hước của Adrian được khán giả rất mực yêu mến. Sau khi Adrian nếm mùi khủng khiếp của chiến tranh ngay trước mắt, anh khăng khăng đòi kể cho người nghe sự thật chứ không phải những lời chính thức từ chính phủ, điều này khiến anh đứng trước nguy cơ bị sa thải. "Good Morning, Vietnam" từng được xếp vào danh sách 100 phim hài hay nhất mọi thời đại, do AFI bình chọn.

Robin có thêm một đề cử Oscar cho vai diễn tiếp theo trong phim chính kịch "Dead Poets Society" (1989). Ông vào vai John Keating - một giáo viên dạy tiếng Anh làm chủ nhiệm lớp học ngỗ nghịch.

Trong "Awakenings" (1990), Robin vào vai một nhà thần kinh học.

Tài tử nhận giải Quả cầu vàng thứ hai với vai diễn trong phim "The Fisher King" (1991), đóng cùng Jeff Bridges.

Các khán giả nhí không thể quên vai Peter Pan của Robin trong phim "Hook" (1991). Trong phim, ông đóng cùng Julia Roberts, Dustin Hoffman và Bob Hoskins. Bộ phim này từng giành 5 đề cử Oscar.

Robin đã có giọng lồng tiếng cực kỳ ấn tượng vai Đèn Thần trong "Aladdin" (1992).

Robin có vai diễn cười ra nước mắt trong bộ phim "Mrs. Doubtfire" (1993). Ông vào vai một ông bố đóng giả vú em để được gần gũi 3 đứa con của mình sau khi ly hôn. Vai diễn mang về giải Quả cầu vàng thứ ba cho danh hài.

"Jumanji" (1995) là một bộ phim thiếu nhi thú vị khác của Robin. Ông vào vai một người đàn ông bị mắc kẹt trong game.

Nam diễn viên thủ vai một ông chủ quán bar dành cho người gay trong "The Birdcage" (1996). Bộ phim đoạt doanh thu 185,3 triệu USD trên toàn thế giới.

Robin giành giải Oscar đầu tiên trong đời với vai phụ trong phim "Good Will Hunting" (1997), đóng cùng tài tử Matt Damon.

Ông hóa thân thành giáo sư kỳ quặc trong "Flubber' (1997).

"Bicentennial Man" (1999) là một bộ phim xúc động của Robin Williams dựa theo tiểu thuyết của nhà văn Isaac Asimov và Robert Silverberg. Trong phim, Robin vào vai một người máy 200 tuổi có tình cảm và suy nghĩ như con người.

Williams hóa thân thành chú hề trong "Death to Smoochy" (2002).

Ông đóng một nhà văn viết truyện hình sự trong "Insomnia" (2002) - bộ phim tâm lý tội phạm của đạo diễn Christopher Nolan.

Ông đóng vai phản diện hiếm hoi trong "One Hour Photo" (2002) - vai một nhân viên kỹ thuật ảnh bí mật lấy cắp những thông tin riêng tư của khách hàng.

Robin tham gia 3 phần phim "Night at the Museum' (2006) trong vai Tổng thống Teddy Roosevelt. Phần 3 của phim hài ăn khách này sẽ được ra mắt vào tháng 12 tới.

Robin một lần nữa gây ấn tượng với vai trò lồng tiếng cho nhân vật chim cánh cụt Ramon và Lovelace trong hai phần "Happy Feet' (2006, 2011)

Năm 2009, Robin lại khiến khán giả cười nghiêng ngả với vai hài trong phim "Old Dogs" đóng cùng John Travolta.

Robin trở lại phim truyền hình với "The Crazy Ones" (2013-2014). Đây cũng là một trong những phim cuối cùng ngôi sao tài năng tham gia trước khi qua đời vào ngày 11/8. Trong sự nghiệp diễn xuất, ông đã góp mặt trong hơn 100 phim truyền hình và điện ảnh Hollywood.