Робин Уильямс родился 21 июля 1951 года в Чикаго. Отец, Роберт Фицджеральд Уильямс, был одним из руководителей компании Ford Motors, мать, Лори Уильямс, — бывшая модель. После окончания школы поступил в Клермонтский колледж, где изучал политологию. Затем поступил в Джуллиардскую школу драмы, в которой обучался драматическому искусству.
С середины 1970-х годов начал сниматься в комедийных телесериалах. В кино появился в 1977 году. После нескольких эпизодических ролей Уильямс снялся в главной роли в фильме «Попай» (1980) Роберта Олтмена. Этот и несколько следующих фильмов были неудачными. В 1987 году Уильямс сыграл роль диджея в картине Барри Левинсона «Доброе утро, Вьетнам», благодаря которой получил известность и номинацию на «Оскар».
В 1991 году Уильямс озвучивал джинна в диснеевском мультфильме «Аладдин», впоследствии он вновь это сделал в третьей части мультфильма (во второй части и в мультсериале его заменял Ден Кастелланета). Многие свои роли Уильямс сыграл в комедиях. Две номинации на «Оскар» ему принесли роль учителя в фильме «Общество мёртвых поэтов» (1989) и роль сумасшедшего в фильме «Король-рыбак» (1991).
В 1998 году он стал обладателем «Оскара» как лучший актёр второго плана за роль психолога в фильме «Умница Уилл Хантинг». В 1999 году Уильямс снялся в главной роли в фильме «Двухсотлетний человек», поставленном по произведению Айзека Азимова. В нём он сыграл робота, который мечтал стать человеком.
Его первой супругой стала модель и актриса Валерия Веларди, с которой он прожил 10 лет. Брак продлился с 1978 до 1988 года, Валерия родила сына Закари. В 1989 году Робин женился на продюсере Марше Грасес. От этого брака у него осталось двое детей: сын Коди и дочь Зельда. Третий брак Робина Уильямса был официально зарегистрирован в октябре 2011.
