Treat Williams lleva más de 30 años trabajando como actor. Su carrera comenzó en los musicales de Broadway, como sustituto de los actores masculinos principales de Grease. Finalmente, acabó interpretando al protagonista, Danny Zuko, durante tres años. Su primer papel importante en el cine fue el de Berger en la versión cinematográfica de Hair, de Milos Forman.
Otras de las películas en las que ha trabajado son The Ritz; Ha llegado el águila (The Eagle Has Landed); El príncipe de la ciudad (Prince of the City); 1941; Seducida (Smooth Talk, ganadora del Gran Premio del Jurado en el Festival de Cine de Sundance de 1986); Érase una vez América (Once Upon a Time in America); Un final made in Hollywood (Hollywood Ending), de Woody Allen; Deep Rising: el misterio de las profundidades; Cosas que hacer en Denver cuando estás muerto (Things to Do in Denver When Youre Dead); The Phantom: el hombre enmascarado; En lo profundo del océano (Deep End of the Ocean); La sombra del diablo (The Devils Own); Algo pasa en Las Vegas (What Happens in Vegas); Howl; y las recientes 127 horas y A Little Bit of Heaven.
Además de Grease, otras producciones de Broadway en las que ha trabajado Williams son Over Here, Once in a Lifetime, Love Letters, The Pirates of Penzance y Follies, de Stephen Sondheim. Entre sus trabajos en off-Broadway figuran Bus Stop, Some Men Need Help, así como Oleanna, de David Mamet, y Capitanes intrépidos, basada en la novela homónima de Rudyard Kipling.
En el haber televisivo de Williams destacan títulos como Un tranvía llamado deseo (A Streetcar Named Desire), J. Edgar Hoover, Dempsey, Los reyes de la noche (The Late Shift), y Max and Helen, por citar algunos. También ha interpretado durante cuatro temporadas al doctor Andy Brown en el éxito de crítica «Everwood», serie por la que ha sido dos veces candidato al premio SAG al mejor actor.
El actor también ha sido nominado cuatro veces al Globo de Oro y una vez al Emmy, y ha ganado dos premios Theatre Guild.
En 1994, Williams dirigió el corto Texan, con guión de David Mamet, que resultó ganador en tres festivales de cine.
Su grupo musical, D.O.B., con Graham Russell de Air Supply, ha recaudado más de medio millón de dólares para las víctimas del tsunami de 2004 y otras obras benéficas.
Williams, piloto con más de 8.000 horas de vuelo, lleva más de 30 años pilotando aviones y helicópteros de todas las formas y tamaños.
También ha escrito recientemente un libro para niños, Airshow. Williams vive en las montañas de Utah con su mujer y dos hijos.