Williams' carrière begon met Take That, de band die gevormd was door zanger en componist Gary Barlow. De band was opgericht in 1990 en bleek succesvol, met acht keer op 1 in Groot-Brittannië. Hun populariteit leidde tot een succes van gelijke bands in het Verenigd Koninkrijk. Hoewel het heel goed ging scheen Williams totaal niet in de groep te passen en scheen hij veel ruzie te maken met de bandleden en het management. In 1995 vertrok Williams uit Take That. Dat riep bewondering en verwarring op want Take That was toen de beroemdste jongensband. De algemene opinie is dat hij de opgelegde 'schone' levensstijl die de jongens moesten volgen (niet drinken/niet roken/geen drugs) niet langer kon volhouden. Dit mondde uit in uitgebreid drinken, vechten en zwartmaken van de band toen hij er eenmaal niet meer inzat.

In 1996 was Williams klaar om te starten met een nieuwe carrière. Zijn eerste single "Freedom", een cover van George Michael uit 1990, kwam uit in augustus 1996. Na een tijd in een afkickkliniek kwam in 1997 de single "Old Before I Die". Beide singles waren successen in Engeland. Dit zorgde voor de komst van zijn eerste soloalbum, Life Thru a Lens, later dat jaar.

Life Thru a Lens bevatte zijn single "Old Before I Die" en flopte omdat de rest (bijvoorbeeld "Lazy Days" en "South of the Border") niet echt goed ontvangen werd.

Het laatste lied dat van Life Thru A Lens, uitgebracht zou worden was "Angels". Dit lied zorgde voor de internationale comeback van Williams.

"Angels" is in februari 2005 door de Engelsen, tijdens de Britse muziekprijzen, gekozen tot beste lied van de afgelopen 25 jaar. Ook stond het op plaats 11 in de top 2000 van 2005.

Ook in Nederland is dit nummer een enorm grote hit geworden. (En het valt nog steeds goed in de smaak. Zo stond dit nummer in december 2007 op nummer 1 in de Qmusic top 1000.)

Williams werd een bekendheid in Europa terwijl hij in de Verenigde Staten amper doorbrak.

Zijn tweede album, "I've Been Expecting You", kwam uit in 1998. Het album werd voorafgegaan door de single Millennium, gebouwd rondom het James Bondthema "You Only Live Twice". Dit nummer was in Europa een grote hit en behaalde in de Verenigde Staten nummer 72.

Op de tweede single, No Regrets, kreeg Williams vocale ondersteuning van Pet Shop Boys-zanger Neil Tennant en Neil Hannon van The Divine Comedy. Andere singles van het album waren Strong en She's The One.

In 1999 werkte hij samen met Tom Jones voor een cover van het Lenny Kravitz-nummer "Are You Gonna Go My Way" dat op het album Reload kwam. Ook leverde Williams dat jaar een bijdrage aan een album met nummers van Noël Coward. Op dit album, Twentieth Century Blues, zingt hij "There Are Bad Times Just Around The Corner".

Het album dat werd uitgebracht in 2000 bevatte de hit "Rock DJ". De clip zorgde voor kritiek vanwege de gewaagde striptease die Williams deed. De clip werd een grote hit en haalde Nederland slechts een 6e plaats in de top 40. Het lied sloeg aan in de Verenigde Staten, maar Williams haalde niet de bekendheid zoals hij die in Europa had. Omdat de clip als schokkend werd gezien, werd dit gezien als het tijdelijke einde van Williams' carrière in de VS, hoewel de clip wel werd genomineerd voor de MTV Video Music Award.

In 2001 bracht Williams een cd uit. In deze cd coverde hij vele nummers uit de jaren 50 en 60. Op de cd stonden nummers als Ain't That A Kick In The Head, Things en Mack The Knife. Er stond ook het duet Something Stupid op met Nicole Kidman, origineel gezongen door Frank Sinatra en Nancy Sinatra. De cover van Bobby Darins Beyond the Sea werd de soundtrack van de film Finding Nemo.

In 2002 stopte Williams de samenwerking met zijn schrijver Guy Chambers. Dit was echter maar voor korte duur, want een half jaar later werkten ze alweer samen aan Williams' nieuwe album Escapology, het album dat in 2002 uitkwam. Escapology kent meer rockinvloeden dan eerder werk van Williams. De eerste single ervan, Feel, was een hit in Europa. In de zwart-wit clip speelde Darryl Hannah mee. Het album verkocht echter veel slechter dan verwacht. In de album top 1000 allertijden van Radio Veronica in 2006 eindigde Escapology op nummer 78.

De clip van de volgende "Escapology" single, Come Undone, werd gecensureerd door MTV Networks Europe, omdat Williams in de clip seks had met twee vrouwen, hoewel ze gekleed waren. Er waren reptielen en insecten te zien die in de mond van de vrouwen lagen. De plotselinge wending kwam waarschijnlijk door de breuk tussen Williams en Guy Chambers.

Dit album kwam uit in Berlijn op 9 oktober 2005. Het kwam op tv en is uitgezonden vanaf speciale plaatsen, zoals bioscopen en theaters. Hoewel het album eerst niet in de VS uit zou komen had iTunes het toch mogelijk gemaakt om hem te bestellen, vanwege het succes in Europa. De eerste single van dit album was Tripping en werd wereldwijd een hit. Make me Pure werd gereleased als promo. De clip van Advertising Space toont Robbie verkleed als Elvis Presley. Sin Sin Sin is de laatst verschenen single en toont Williams als goeroe.

Op 23 oktober 2006 verscheen het album Rudebox. Op dit album experimenteert Robbie met elektronische muziek en het werd met enige kritiek ontvangen. Op dit album werkt hij onder andere samen met de Pet Shop Boys, Lily Allen en Mark Ronson en covert hij nummers van Manu Chao, The Human League en My Robot Friend.

De eerste single van het album, Rudebox, kwam op 4 september 2006 uit. Op Rudebox rapt hij het grootste gedeelte, met alleen een gezongen brug. De tweede single van het album is Lovelight, die op 21 oktober 2006 uitkwam. Dit nummer is een cover van Lewis Taylor.

De derde single die van het album werd uitgebracht is She's Madonna. Dit nummer werd ook weer een grote hit voor Robbie met een #2-notering in Nederland.