A Chicagóban egyedüli gyerekként felnőtt Robin Williams sokszor azzal szórakoztatta magát és családtagjait, hogy komédiásokat utánzott. A gimnáziumi évei alatt Kaliforniában telepedtek le, de Robin már ekkor megtalálta számításait: mire leérettségizett, a legnépszerűbb és a legviccesebb tanulónak számított, aki előtt osztálytársai szerint is a legsikeresebb jövő állt.

A gimnázium után politológiát tanult, és többször fellépett rendezvényeken, valamint a helyi pubokban egyedülálló improvizációs humorával szórakoztatta a közönséget. Olyan nagy sikert hoztak neki ezek a szereplései, hogy saját sorozatot kapott, ami 1978-tól 1982-ig ment. A címe Egy úr az űrből ("Mork & Mindy") volt. Szélesvásznon először a Popeye című filmben volt látható 1980-ban, majd drámai oldalát csillogtatta meg 1982-ben, a Garp szerint a világban. Csillaga akkor emelkedett a legmagasabbra, amikor a Jó reggelt, Vietnam!-ban lemezlovast alakított. Ekkor kapta meg első Oscar-jelölését is. Később több sikeres mozifilmben is szerepelt, mint például a Holt költők társasága, az Ébredések, vagy a Mrs. Doubtfire. 1997-ben a Good Will Huntingban hozta élete talán legnagyobb alakítását, amiért a következő évben megkapta a legjobb mellékszereplőnek járó Oscart.
Az 1980-as években túljutott egy komoly drogfüggőségen, azután elvált első feleségétől, akitől egy gyermeke született. Később első fia dajkáját vette el, aki azóta a menedzsere s egyben Williams második fiának és első lányának édesanyja.