Lavora regolarmente al cinema e in televisione fin dal suo esordio nel 1976, quando si è calato nei panni del detective dalla voce stridula Michael Brick, nella scatenata commedia di Terence McNally Il vizietto americano (The Ritz).
Williams ha poi conquistato il pubblico interpretando il focoso hippie Berger nella versione cinematografica del musical di Broadway Hair. A questo, hanno fatto seguito ruoli in film come 1941 – Allarme a Hollywood (1941) di Steven Spielberg, Il principe della città (Prince of the City) di Sidney Lumet e la pellicola epica C’era una volta in America (Once Upon a Time in America), oltre ad essere stato il protagonista di numerosi film per la televisione, tra cui Dempsey; A Streetcar Named Desire; l’adattamento della PBS Some Men Need Help; e J. Edgar Hoover.

In seguito, è apparso nelle pellicole La prima volta (Smooth Talk), Club di uomini (The Men’s Club), Dolci bugie (Sweet Lies), Sbirri oltre la vita (Dead Heat)e Il cuore di Dixie (Heart of Dixie), oltre che in film per il piccolo schermo come Max e Helen (Max and Helen, nei panni di Max Rosenberg), Till Death Do Us Part, The Water Engine e Deadly Matrimony; nella miniserie Agente speciale Kiki Camarena sfida ai narcos (Drug Wars: The Camarena Story), >e nel ruolo del protagonista della serie drammatica Eddie Dodd. Ha anche recitato assieme a Shelley Long nella sitcom della CBS Good Advice.
Successivamente, è stato impegnato con Hand Gun, Cosa fare a Denver quando sei morto (Things to Do in Denver When You’re Dead), L’ombra del diavolo (The Devil’s Own), Deep rising - presenze dal profondo (Deep Rising), In fondo al cuore (The Deep End of the Ocean), Hollywood Ending e Miss F.B.I. - Infiltrata speciale (Miss Congeniality 2: Armed & Fabulous).
Recentemente, in televisione ha lavorato in diversi film, tra cui Parallel Lives, In the Shadow of Evil, The Late Shift della HBO (in cui interpretava l’ex superagente di Hollywood Mike Ovitz), Escape: Human Cargo; Viaggio al centro della Terra (Journey to the Center of the Earth), >e Guilty Hearts. Inoltre, ha svolto delle apparizioni nelle serie UC: Undercover e Going to California.
L’attore ha conquistato una nuova generazione di appassionati quando è stato protagonista dell’acclamata serie della WB Everwood, in cui interpretava il dottor Andy Brown, che vive in una piccola cittadina, dal 2002 al 2006. Per questo ruolo, Williams ha ricevuto due candidature agli Screen Actors Guild Award.
Recentemente, è apparso in una parte ricorrente nella serie drammatica della ABC Brothers & Sisters; nel film di grande successo della Lifetime The Staircase Murders; e nella serie limitata della TNT Heartland, in cui era un cardiochirurgo.