1980年，罗宾·威廉姆斯涉足电影圈，参演个人首部电影《大力水手》，在片中饰演卡通人物波皮。

1982年，与格伦·克洛斯、约翰·利特高联袂主演爱情喜剧电影《盖普眼中的世界》。

1984年，主演由保罗·马祖斯基执导的爱情喜剧电影《莫斯科先生》，他在片中饰演叛逃到美国的苏联马戏团艺人佛兰迪米尔，凭借该片提名第42届美国电影电视金球奖电影类-音乐喜剧类最佳男主角奖。

1986年，由其主演的喜剧电影《逍遥天堂》上映。

1987年，与福里斯特·惠特克合作主演由巴瑞·莱文森执导的战争电影《早安越南》，在片中饰演美国驻越南军事电台的播音员，他凭借该片提名第60届奥斯卡金像奖最佳男主角奖、第42届英国电影学院奖电影奖-最佳男主角奖，获得第45届美国电影电视金球奖电影类-音乐喜剧类最佳男主角奖。

1988年，参与爵士乐歌手鲍比·麦克菲林的作品《Don't Worry Be Happy》的MV拍摄，当中罗宾·威廉姆斯与好友比尔·欧文以及麦克菲林默剧搞怪演出；同年，出演由特瑞·吉列姆执导的奇幻冒险电影《吹牛大王历险记》。

1989年，与伊桑·霍克、罗伯特·肖恩·莱纳德联合主演的励志电影《死亡诗社》上映，在片中扮演20世纪50年代一所寄宿学校中思想开放敢于打破教条的基顿老师，他凭借该片提名第47届美国电影电视金球奖电影类-剧情类最佳男主角奖、第43届英国电影学院奖电影奖-最佳男主角奖。

1990年，与蒂姆·罗宾斯、帕梅拉·里德联袂主演犯罪喜剧电影《名嘴大丈夫》；12月，与罗伯特·德尼罗共同主演的剧情电影《无语问苍天》上映，他在片中饰演从事生物学研究的学者萨克斯，凭借该片提名第48届美国电影电视金球奖电影类-剧情类最佳男主角奖。

1991年，与杰夫·布里吉斯共同主演的奇幻喜剧电影《天涯沦落两心知》上映，他凭借该片提名第64届奥斯卡金像奖最佳男主角奖，获得第49届美国电影电视金球奖电影类-音乐喜剧类最佳男主角奖；12月，与达斯汀·霍夫曼、朱莉娅·罗伯茨联袂主演的奇幻冒险电影《铁钩船长》上映，他在片中饰演精明能干的律师彼得·潘。

1992年，献唱迪士尼电影《阿拉丁》插曲《Friend Like Me》，该插曲发表两个月后登上公告牌首位；同年，主演由巴瑞·莱文森执导的奇幻喜剧电影《玩具兵团》；11月，参与配音的动画电影《阿拉丁》上映，他凭借该片获得第50届美国电影电视金球奖特别奖。

1993年，出演由凯瑟琳·毕格罗执导的惊悚犯罪剧《情理法的春天第一季》；同年，与莎莉·菲尔德、皮尔斯·布鲁斯南联合主演喜剧电影《窈窕奶爸》，在片中饰演普通的卡通配音员丹尼，他凭借该片获得第51届美国电影电视金球奖电影类-音乐喜剧类最佳男主角奖。1994年，由其主演的电视剧《情理法的春天第二季》首播。

1995年，与克斯汀·邓斯特等共同主演冒险电影《勇敢者的游戏》；12月，与休·格兰特、朱丽安·摩尔等联袂出演的爱情喜剧电影《怀胎九月》上映。1996年，与内森·连恩、吉恩·哈克曼联合主演的喜剧电影《假凤虚凰》上映，他在片中饰演“鸟笼”夜总会的老板阿曼德；同时，他为该片翻唱了《We Are Family》。

1997年，与马特·达蒙合作主演剧情电影《心灵捕手》，他在片中饰演遍尝人生甘苦而拥有丰富情感经验的心理医生桑恩，凭借该片提名第55届美国电影电视金球奖电影类-最佳男配角奖，获得第70届奥斯卡金像奖最佳男配角；同年，《帝国》杂志评选“全球最伟大的100位电影明星”，罗宾·威廉姆斯排名第63位；11月，由其主演的科幻喜剧电影《飞天法宝》上映；12月，与伍迪·艾伦合作主演的爱情奇幻电影《解构爱情狂》上映。

1998年，与小古巴·戈丁、安娜贝拉·莎拉联合出演爱情奇幻电影《美梦成真》；12月，与丹尼尔·伦敦、莫妮卡·波特联袂主演的喜剧电影《妙手情真》上映，他凭借该片提名第56届美国电影电视金球奖电影类-音乐喜剧类最佳男主角奖。

1999年，与艾伯斯·戴维斯、萨姆·尼尔联合主演科幻电影《机器管家》，在片中饰演北安公司生产的机器人安德鲁；同年，参演电视剧《法律与秩序：特殊受害者第一季》；9月，与汉娜·泰勒-高登共同主演的战争喜剧电影《善意的谎言》上映，该片翻拍自1975年的同名电影。

2000年，与韦恩·布莱迪合作创作歌曲《Whose Line is it Anyway?》。

2005年，罗宾·威廉姆斯获得美国金球奖塞西尔.B.戴米尔奖。

2001年，出演由史蒂文·斯皮尔伯格执导的科幻电影《人工智能》。

2002年，与康妮·尼尔森、迈克尔·瓦尔坦联袂主演惊悚电影《一小时快照》；同年，参演电视剧《和巴妮一起生活的日子第一季》；3月，与爱德华·诺顿、凯瑟琳·基纳联袂主演的惊悚电影《斯慕奇之死》上映；5月，与阿尔·帕西诺、希拉里·斯万克联合主演的悬疑惊悚电影《失眠症》上映。

2004年，与安东·尤金合作主演喜剧电影《心碎往事》；同年，由其参演的剧情电影《圣诞夜奇迹》上映。

2005年，与W·厄尔·布朗合作主演喜剧电影《真相大白》，该片改编自美国作家乔纳森·萨弗兰·福尔的同名小说。

2006年，为动画电影《快乐的大脚》献唱原声作品 《My Way（A Mi Manera）》，罗宾·威廉姆斯为了塑造出该片中阿德利企鹅的搞怪形象，花尽心思模仿了爵士歌手弗兰克·辛纳屈的西班牙语唱腔；同年，与本·斯蒂勒、欧文·威尔逊联袂主演奇幻冒险电影《博物馆奇妙夜》；4月，与杰夫·丹尼尔斯共同主演的喜剧电影《房车之旅》上映，他在片中饰演饮料公司公关部经理鲍勃；8月，与托妮·科莱特、吴珊卓联合主演的悬疑电影《午夜听众》上映，他在片中饰演电台午夜节目档的主持人加布里尔·努内；10月，与克里斯托弗·沃肯共同主演的爱情惊悚电影《年度人物》上映，他在片中饰演说话尖酸刻薄的脱口秀主持人汤姆·多比斯。

2007年，与乔纳森·莱斯·梅耶斯、凯丽·拉塞尔联袂主演剧情电影《声梦奇缘》，在片中饰演神秘莫测的街头艺人巫师；同年，参演电视剧《法律与秩序：特殊受害者第九季》；7月，与曼迪·摩尔、约翰·卡拉辛斯基联合主演的爱情喜剧电影《结婚证书》上映。

2009年，与约翰·特拉沃尔塔合作主演家庭喜剧电影《老家伙》；5月22日，由其主演的电影《博物馆奇妙夜2》上映；8月，与达里尔·沙巴拉共同主演的喜剧电影《世界上最伟大的父亲》上映，他在片中饰演做事唯唯诺诺，爱好看书看报的高中老师兰斯。

2010年，参加脱口秀节目《Hit Me Baby One More Time》，在出席脱口秀主持人“雷叔”克雷格·费格森的节目《克格雷深夜秀》上，即兴模仿小甜甜布兰妮的作品《Hit Me Baby One More Time》MV里的舞蹈。

2012年，由其出演的电视剧《犬友笑传第二季》首播。

2013年，与艾米·布伦尼曼共同主演的爱情电影《爱情的模样》上映；8月16日，由其出演的传记电影《白宫管家》上映，他在片中饰演美国第34任总统艾森豪威尔。

2014年，参与喜剧电影《魔法老师》的配音，配音的角色为西蒙·佩吉的爱犬；4月20日，与鲍勃·奥登科克、凯西·贝克联袂主演的剧情电影《林荫大道》上映，他在片中饰演在银行工作26年的诺兰；5月23日，与米拉·库妮丝、彼特·丁拉基联合主演的喜剧电影《布鲁克林最愤怒的人》上映，他在片中饰演被愤怒的代班女医生告知仅有90分钟可以活的老年病患亨利·奥尔特曼；同年，主演个人最后一部电影《博物馆奇妙夜3》。

罗宾·威廉姆斯的父亲曾在福特公司担任高级主管。

罗宾·威廉姆斯生前居住的住宅，该住宅位于美国加州旧金山克里夫海地区。他与其第三任妻子Susan Schneider结婚后居住在此。

2014年8月12日，美国警方在发布会上宣布“初步认定为上吊自杀窒息致死”；8月12日，威廉姆斯的遗体火化，家人和少数亲友在他住所附近圣安瑟莫的一间殡仪馆为他举行了小型葬礼，骨灰随后撒在旧金山海湾；11月9日，美国加利福尼亚州马林县当局经调查和毒理学检测，确认证实，罗宾·威廉姆斯是自杀身亡。

罗宾·威廉姆斯慷慨地把自己无比的喜剧才能奉献给有需要的人：从远赴国外的士兵到街头的边缘化人群（奥巴马评）。

罗宾·威廉姆斯初期在面对镜头时，就可以不受到剧本的约束，发挥想象，进行创作。例如在电影《大力水手》塑造了一个身手敏捷的角色，处女座的表演就让人感到不可思议。他的表演省略了从青涩到成熟 的漫长过程，遗传了母亲幽默的特质。在动画电影《阿拉丁》中，他为蓝色精灵配音，当时使用了40种不同的声音，全部是自己即兴发挥，他的声音赋予角色趣味性（《北方音乐》评）。

罗宾·威廉姆斯塑造了超过88个人物，他的戏路很宽，能让各种千差万别的角色活灵活现的悦动在荧幕上。罗宾·威廉姆斯有着清晰明朗的五官，他的眼睛明亮有力，清澈纯真。眉毛粗黑又温和得搭在眼睛之上。他的嘴唇很特别，像羞涩的男孩抿着嘴唇。生活中是个完美好先生形象，他心地善良，为人正直，谦虚，他有一种与生俱来的亲和力，容易使人信赖，从他的眼睛中可以看出他的单纯、直率，却带有一丝恐惧，他喜欢用轻松、幽默的方式和人交流（重庆大学韩婷婷评）。