Tres años más tarde, Williams regresó a California y se instaló en San Francisco, donde buscaba su oportunidad en comedias teatrales.
Dos años después, trabajó en Mork & Mindy, una serie de televisión en la que interpretaba a un extraterrestre y obtuvo un éxito arrollador.
Su siguiente película fue The World According to Garp, de George Roy Hill, en la que daba vida a un personaje difícil: agradable, pero no cómico.
Más tarde protagonizó The World According to Garp, estrenada en 1982, junto con Mary Beth Hurt, John Lithgow y Glenn Close.
Entre 1987 y 1991 Williams hizo, entre otras, tres películas que le valieron una nominación al Óscar como mejor actor principal.
La tercera nominación la obtuvo en 1991 por The Fisher King, junto con Jeff Bridges, en la que da vida a un vagabundo.
En ese mismo año hizo un secundario en la película de terror Morir todavía junto a Kenneth Branagh, Emma Thompson, Derek Jacobi y Andy García.
Tenía claro que no debía perder sus cualidades propias, pero necesitaba dominar la interpretación para ser alguien en el mundo del cine [cita requerida] y consiguió alcanzar su objetivo.
Considerado un actor de enorme versatilidad, tanto en comedia como en drama, ganó finalmente el reconocimiento de la Academia, que le otorgó el Óscar por su actuación en Good Will Hunting, filmada y estrenada en 1997 con Matt Damon, Ben Affleck, Minnie Driver, Stellan Skarsgård y Casey Affleck.
Al ser libre, construye su propia casa, comienza una nueva vida y emprende una búsqueda de robots que se asemejen a él.
En 2001 hizo un papel muy secundario dando voz al Doctor Know y trabajando por segunda vez para Steven Spielberg en A.I.
Inteligencia Artificial, una versión futurística de Pinocho, compartiendo reparto con Haley Joel Osment, Jude Law, Sam Robards, Brendan Gleeson, William Hurt, Meryl Streep y Ben Kingsley.
En 2002 protagonizó su película policíaca Insomnia junto a Al Pacino y Hilary Swank, rodada en el estado de Alaska.
Ese mismo año protagonizó junto con Edward Norton y Danny DeVito la comedia llamada Death to Smoochy.
En 2007 dio vida al peculiar reverendo Frank en la comedia License to Wed, junto a Mandy Moore y John Krasinski.
En 2009 trabajó junto a John Travolta y Kelly Preston en la comedia de Disney, Old Dogs.
En 2013 protagonizó con Amanda Seyfried, Ben Barnes, Katherine Heigl, Robert De Niro, Diane Keaton y Susan Sarandon en la comedia de La Gran Boda y también ese mismo año interpretó al presidente Dwight D. Eisenhower en la película 'The Butler con Forest Whitaker.
Durante su primer matrimonio, Williams tuvo una relación extramarital con Michelle Tish Carter, una camarera a quien conoció en 1984.
Williams visitó a Reeve después del accidente de caballo que lo dejó tetrapléjico, y le dio ánimos fingiendo ser un excéntrico doctor de Rusia (similar a su papel en Nine Months) que estaba allí para practicarle una colonoscopia.
También estuvieron presentes en la misa amigos suyos como Billy Crystal, Whoopi Goldberg, Jeff Bridges, Danny DeVito, Bonnie Hunt, Bobcat Goldthwait, Steve Martin, Seth Green, Ben Stiller, Sarah Michelle Gellar, Minnie Driver, Joel McHale,Pam Dawber, Eddie Izzard, Eric Idle, Josh Groban, George Lucas, Rhea Perlman y Christine Taylor.
Tras su fallecimiento, su cuerpo fue incinerado y las cenizas fueron esparcidas en el océano Pacífico, en la bahía de San Francisco.