หลังจากเรียนจบที่นิวยอร์กแล้ว วิลเลี่ยมส์ได้กลับไปที่ลอสแอนเจลิส เขาได้เริ่มต้นทำงานด้วยการเป็นนักประพันธ์ดนตรีให้กับสตูดิโอภาพยนตร์ ท่ามกลางนักประพันธ์มากมาย วิลเลี่ยมส์ได้ร่วมงานกับนักประพันธ์ที่โด่งดัง อาทิเช่น ฟรานซ์ แวกซ์แมน (Franz Waxman), เบอร์นาร์ด เฮอร์มานน์ (Bernard Herrmann) และอัลเฟรด นิวแมน (Alfred Newman)[11] วิลเลี่ยมส์ยังเป็นนักเปียโนประจำสตูดิโอ เขาได้เล่นเปียโนให้กับดนตรีประกอบภาพยนตร์ที่ประพันธ์โดยนักประพันธ์ชื่อดังหลายคน อาทิเช่น เจอร์รี โกลด์สมิธ (Jerry Goldsmith), เอลเมอร์ เบอร์สตีน (Elmer Berstein) และ เฮนรี แมนซินี (Henry Mancini)วิลเลี่ยมส์ได้ร่วมเล่นดนตรีประกอบภาพยนตร์ที่ประพันธ์โดยเฮนรี แมนซินี เช่น Peter Gunn ในค.ศ.1959, Days of Wine and Roses ในค.ศ.1962 และ Charade ในค.ศ.1963 [12][13]

วิลเลี่ยมส์ได้ประพันธ์ดนตรีประกอบละครโทรทัศน์อีกมากมาย ในยุค 1960 อาทิเช่น Gilliagan’s Island (1959-1960), Lost in Space (1965-1968), The Time Tunnel (1966-1967) เป็นต้น

ในช่วงแรกๆที่วิลเลี่ยมส์ได้เข้าวงการมา เขามักจะประพันธ์ดนตรีให้กับหนังดราม่า หนังรัก และหนังคอมเมดี้เสียส่วนใหญ่ ภาพยนตร์เรื่องแรกที่วิลเลี่ยมส์ได้ประพันธ์ดนตรีประกอบให้ คือเรื่อง Daddy-O เป็นหนังเกรดบีแนวคอมเมดี้ ที่ฉายในปี ค.ศ.1958 และตามมาด้วยผลงานอีกหลายเรื่อง

วิลเลี่ยมส์ได้กลายมาเป็นที่รู้จักในฮอลลีวู้ด ด้วยความสามารถดนตรีหลายด้าน ทั้งทางเปียโน, แจส และเพลงซิมโฟนิกที่ใช้ดนตรีวงใหญ่บรรเลง วิลเลี่ยมส์ได้ร่วมงานกับผู้กำกับชื่อดังในยุคนั้นหลากหลายคน อาทิเช่น นักร้อง นักแสดง และผู้กำกับ แฟรงค์ ซินาตร้า (Frank Sinatra) ในภาพยนตร์เรื่อง None but the Brave ในปี ค.ศ.1965, ผู้กำกับหนังฟอร์มยักษ์แห่งยุคเบนเฮอร์ (Ben-Hur) วิลเลี่ยม ไวเลอร์(William Wyler)ในผลงานเรื่อง How to Steal a Million ในปี ค.ศ.1966,นักร้อง นักเต้น นักแสดง และผู้กำกับ จีน เคลลี(Gene Kelly) ในผลงานเรื่อง A Guide for the Married Man ในปี ค.ศ.1967 เป็นต้น

วิลเลี่ยมส์ได้รับการเสนอชื่อเข้าชิงรางวัลออสการ์ (Academy Award) ครั้งแรกในปี ค.ศ. 1967 กับผลงานเรื่อง Valley of the Dolls ในสาขาดนตรีประกอบยอดเยี่ยม และได้รับการเสนอชื่อเข้าชิงอีกในปี ค.ศ.1969 กับผลงานเรื่อง Goodbye, Mr.Chips และ The Reivers วิลเลี่ยมส์ได้รับออสการ์ตัวแรกในการเข้าชิงครั้งที่สี่ ในปี ค.ศ.1971 กับผลงานเรื่อง Fiddler on the Roof ในสาขาดัดแปลงดนตรีประกอบยอดเยี่ยม[14]

ในช่วงยุค 1970 วิลเลี่ยมส์ได้ประพันธ์ดนตรีประกอบให้กับหนังฟอร์มใหญ่หลากหลายเรื่อง เช่น ภาพยนตร์แนวภัยพิบัติ เอาชีวิตรอด The Poseidon Adventure (1972), The Towering Inferno (1974), Earthquake (1974) หนังสยองขวัญเรื่อง Images (1972) หนังคาวบอยที่นำแสดงโดยจอห์น เวย์น (John Wayne) เรื่อง The Cowboys (1972) หรือแม้กระทั่งหนังแอ็คชั่น เช่น The Eiger Sanction (1975) นำแสดงโดยคลินต์ อีสต์วุด (Clint Eastwood)

ในปี ค.ศ.1974 ผู้กำกับสตีเว่น สปีลเบิร์ก (Steven Spielberg) ได้ทาบทามวิลเลี่ยมส์ให้มาทำดนตรีประกอบให้กับภาพยตร์ฉายโรงเรื่องแรกของเขา The Sugarland Express ซึ่งวิลเลี่ยมส์ตอบตกลง สปีลเบิร์กนั้นได้ชื่นชอบผลงานของวิลเลี่ยมส์มานานแล้ว โดยเฉพาะเรื่อง The Reivers (1969) และ The Cowboy (1972) โดยครั้งแรกที่นัดพบกัน สปีลเบิร์กแปลกใจมาก ที่พบว่าวิลเลี่ยมส์ยังไม่แก่เท่าไรนัก เพราะเขาคาดว่าวิลเลี่ยมส์น่าจะดูแก่และมีอายุมากกว่านี้ (ในขณะนั้นวิลเลี่ยมส์อายุแค่ 42 ปี) หลังจากที่วิลเลี่ยมส์ตอบตกลงที่จะทำดนตรีประกอบให้ สปีลเบิร์กกับวิลเลี่ยมส์ก็ได้กลายมาเป็นเพื่อนกัน และได้ทำดนตรีประกอบให้กับหนังของสปีลเบิร์กตลอดมา

ในปี ค.ศ.1975 วิลเลี่ยมส์ได้ทำดนตรีประกอบให้กับผลงานภาพยนตร์ฉายโรงเรื่องที่สองของสปีลเบิร์ก จอว์ส (Jaws) ซึ่งเป็นผลงานฮิตระเบิด ถล่มรายได้ ตัวหนังได้รับคำวิจารณ์ที่ดี และเพลงธีมจอว์ส (Jaws theme) ที่วิลเลี่ยมส์ประพันธ์ก็กลายมาเป็นที่จดจำ ด้วยโน้ตเพียงแค่สองตัว แต่สื่อความหมายถึงอันตรายของฉลามขาวที่พร้อมจะจู่โจมทุกเมื่อ และด้วยผลงานเรื่องจอว์สนี้เอง ทำให้วิลเลี่ยมส์ได้รับออสการ์ตัวที่สอง แต่เป็นตัวแรกในสาขาดนตรีประกอบยอดเยี่ยมที่เขาได้ประพันธ์ขึ้นด้วยตนเอง [14]พร้อมกับคว้ารางวัลลูกโลกทองคำตัวแรก

ในปี ค.ศ.1976 วิลเลี่ยมส์ได้ประพันธ์ดนตรีประกอบให้กับผลงานเรื่องสุดท้ายของอัลเฟรด ฮิตช์ค็อก (Alfred Hitchcock) เรื่อง The Family Plot

ในปี ค.ศ. 1977 วิลเลี่ยมส์ได้ทำดนตรีประกอบให้กับภาพยนตร์เรื่องต่อมาของสตีเว่น สปีลเบิร์ก เรื่อง มนุษย์ต่างโลก (Close Encounters of the Third Kind) ซึ่งในเรื่องนี้ วิลเลี่ยมส์ได้แต่งเพลงธีมหลักที่มีโน้ต 5 ตัวอันเป็นที่จดจำ ซึ่งโน้ต 5 ตัวนี้ได้ใช้เป็นเสียงสัญญาณที่ใช้สื่อสารกับมนุษย์ต่างดาวในเรื่อง และผลงานเรื่องนี้ก็ได้รับการเสนอชื่อเข้าชิงรางวัลออสการ์สาขาดนตรีประกอบยอดเยี่ยม[14] อัลเบิร์ต อาร์ บร็อคโคลี (Albert R. Broccoli) ผู้สร้างหนังเจมส์ บอนด์ ได้โทรหาสปีลเบิร์กเพื่อขออนุญาตนำโน้ต 5 ตัวนี้ไปใช้ในหนังเจมส์ บอนด์ ซึ่งสปีลเบิร์กก็อนุญาตด้วยความยินดี โน้ต 5 ตัวนี้ปรากฏอยู่ในเรื่อง Moonraker (1979) เป็นรหัสที่ใช้กับประตูผ่านทางเข้าไปในสถานที่วิจัยลับของตัวร้าย

ในปี ค.ศ.1977 เดียวกันนั้นเอง เพื่อนของสปีลเบิร์ก จอร์จ ลูคัส (George Lucas) ที่กำลังทำสตาร์วอร์สอยู่นั้น กำลังต้องการนักประพันธ์ดนตรีสำหรับทำดนตรีประกอบหนังของเขา โดยลูคัสต้องการบุคคลที่มีความสามารถและความเข้าใจในดนตรีคลาสสิค ในรูปแบบของนักดนตรีคลาสสิค เช่น ริชาร์ด สเตร้าส์ (Richard Strauss) และแนวทางดนตรีในยุคทองของฮอลลีวู้ด โดยนักประพันธ์อย่าง แม็กซ์ สไตเนอร์ (Max Steiner) เออริช วูล์ฟกัง คอร์นโกล์ด (Erich Wolfgang Korngold) และก็เป็นสปีลเบิร์กนี่เอง ที่เป็นคนแนะนำวิลเลี่ยมส์แก่ลูคัส วิลเลี่ยมส์ได้บินไปที่ลอนดอนเพื่อทำดนตรีประกอบที่นั่น กับวงดนตรี ลอนดอน ซิมโฟนี ออร์เคสตร้า (London Symphony Orchestra) ซึ่งวงนี้ได้เป็นวงที่เล่นดนตรีประกอบให้กับสตาร์วอร์สไตรภาคดั้งเดิม (1977-1983) กับไตรภาคปฐมบท(1999-2005)

ดนตรีที่วิลเลี่ยมส์แต่งให้กับสตาร์วอร์ส กลายมาเป็นผลงานที่เป็นอมตะ คุ้นหู จดจำ และเป็นแรงบันดาลใจให้กับนักประพันธ์ดนตรีรุ่นต่อๆมา ตัวหนังเองก็ฮิตถล่มทลายหลังจากการฉายในช่วงฤดูร้อน สตาร์วอร์สได้พลิกโฉมหน้าวงการภาพยนตร์ เป็นอิทธิพลที่สืบเนื่องมาจนถึงปัจจุบัน วิลเลี่ยมส์ได้ออสการ์ตัวที่สามจากเรื่องสตาร์วอร์ส สาขาดนตรีประกอบยอดเยี่ยม และได้รางวัลลูกโลกทองคำตัวที่สอง [15]

ในปี ค.ศ.1978 วิลเลี่ยมส์ได้ร่วมงานกับผู้กำกับ ริชาร์ด ดอนเนอร์ (Richard Donner) ในภาพยนตร์เรื่องซูเปอร์แมน (Superman) โดยตัวเลือกแรกของดอนเนอร์ คือนักประพันธ์ดนตรีที่มีชื่อเสียงไม่แพ้วิลเลี่ยมส์ เจอร์รี โกลด์สมิธ (Jerry Goldsmith)(ภายหลัง สมิธได้ทำดนตรีประกอบให้กับเรื่อง Supergirl ในปี ค.ศ.1984 ผู้สร้างเดียวกันกับ Superman) ซึ่งวิลเลี่ยมส์ได้แต่งเพลงธีมซูเปอร์แมน (Superman Theme) ซึ่งกลายมาเป็นอีกหนึ่งผลงานของวิลเลี่ยมส์ที่เป็นที่จดจำในโลกภาพยนตร์ และได้รับการเสนอชื่อเข้าชิงออสการ์[14] หนังซูเปอร์แมนได้มีภาคต่อตามมาอีก 4 ภาค ได้แก่ Superman II (1980), Superman III (1983), Superman IV: The Quest for Peace (1987) และ Superman Returns (2006) แม้ว่าวิลเลี่ยมส์จะรับหน้าที่ทำดนตรีประกอบให้แค่ภาคเดียว แต่เพลงธีมซูเปอร์แมนของวิลเลี่ยมส์ ก็ถูกนำมาใช้เป็นเพลงธีมหลักของทุกภาค

ในปี ค.ศ.1980 และ 1983 วิลเลี่ยมส์ได้กลับมาทำดนตรีภาคต่อของสตาร์วอร์สอีกสองภาค ได้แก่ จักรวรรดิเอมไพร์โต้กลับ (The Empire Strikes Back) และ การกลับมาของเจได(Return of the Jedi) ซึ่งก็ฮิตระเบิดไม่แพ้ภาคแรก เพลง Star Wars theme กับ Imperial March ก็กลายมาเป็นเพลงอมตะ เป็นที่รู้จักและคุ้นหูไปทั่ว ทั้งสองเรื่องนี้ก็ได้รับการเสนอชื่อเข้าชิงรางวัลออสการ์สาขาดนตรีประกอบยอดเยี่ยม [14]

ในปี ค.ศ.1981 จอ์จ ลูคัส ได้จับมือกับสตีเว่น สปีลเบิร์ก สร้างภาพยนตร์เรื่อง ขุมทรัพย์สุดขอบฟ้า (Raiders of the Lost Ark) โดยวิลเลี่ยมส์ประพันธ์ดนตรีประกอบให้ ซึ่งกับเรื่องนี้ เป็นอีกครั้งที่วิลเลี่ยมส์ได้ประพันธ์เพลงธีมอันเป็นที่จดจำ คือ Raiders March เพลงธีมฮีโร่อเมริกันของตัวเอกของเรื่องที่ชื่ออินเดียน่า โจนส์ (Indiana Jones) ที่นำแสดงโดยแฮร์ริสัน ฟอร์ด (Harrison Ford) วิลเลี่ยมส์ได้ทำดนตรีประกอบให้กับอินเดียน่า โจนส์ทุกภาค ได้แก่ Indiana Jones and the Temple of Doom (1984), Indiana Jones and the Last Crusade (1989) และ Indiana Jones and the Kingdom of the Crystal Skull (2008)

ในปี ค.ศ.1982 วิลเลี่ยมส์ได้ประพันธ์ดนตรีประกอบให้กับภาพยนตร์ของสปีลเบิร์กที่ฮิตถล่มทลายอีกเรื่อง คือ อี.ที. เพื่อนรัก (E.T. the Extra-Terrestrial) ซึ่งทำให้วิลเลี่ยมส์คว้าออสการ์ตัวที่ 4 ในสาขาดนตรีประกอบยอดเยี่ยม[14] กับรางวัลลูกโลกทองคำตัวที่สาม วิลเลี่ยมส์เล่าว่า ในฉากที่เด็กๆหนีการตามล่าจากตำรวจตอนท้ายเรื่องนั้น ตนได้ประพันธ์ดนตรีขึ้นมา และพบว่าตัวดนตรีกับตัวภาพนั้นไม่เข้ากันเท่าไรนัก เนื่องจากดนตรีที่วิลเลี่ยมส์แต่งนั้นยาวเกินไป ซึ่งโดยทั่วไปแล้ว จะต้องตัดเพลงให้สั้นลง หรือแต่งให้เข้ากันให้ได้ แต่วิลเลี่ยมส์ไม่อาจทำได้ สปีลเบิร์กจึงบอกกับวิลเลี่ยมส์ว่า ให้วิลเลี่ยมส์บรรเลงไปตามที่ตนเองแต่งมาให้เต็มที่ จากนั้นสปีลเบิร์กจึงนำฉากนั้นไปตัดต่อใหม่ โดยตัดให้เข้ากับดนตรีที่วิลเลี่ยมส์แต่งแทน วิลเลี่ยมส์พูดถึงเหตุการณ์นี้อย่างติดตลกว่า “มันเป็นความฝันของนักประพันธ์ดนตรีประกอบภาพยนตร์ทุกคนเลยล่ะ”

ในภาพยนตร์เรื่องต่อมาของสปีลเบิร์ก The Twilight Zone: The Movie ปี ค.ศ.1983 ในหนังเรื่องนี้ประกอบด้วยหนังสั้น 4 เรื่อง สปีลเบิร์กได้กำกับหนังสั้นเรื่องหนึ่ง หัวหน้าผู้กำกับและโปรดิวเซอร์ของเรื่อง จอห์น แลนดิส (John Landis) ต้องการให้เจอร์รี่ โกล์ดสมิธทำดนตรีประกอบให้ สปีลเบิร์กจึงไม่ได้ร่วมงานกับวิลเลี่ยมส์ ในเรื่องต่อมาที่สปีลเบิร์กกำกับ The Color Purple ปี ค.ศ.1985 โปรดิวเซอร์ควินซี่ โจนส์ (Quincy Jones) ต้องการที่จะทำดนตรีประกอบด้วยตัวเอง จึงเป็นอีกครั้งที่สปีลเบิร์กไม่ได้ร่วมงานกับวิลเลี่ยมส์ ในปี ค.ศ.1987 วิลเลี่ยมส์กลับมาร่วมงานกับสปีลเบิร์กอีกครั้ง ในเรื่อง น้ำตาสีเลือด (Empire of the Sun) และก็ได้ร่วมงานกับสปีลเบิร์กเรื่อยมา และมักจะได้รับการเสนอชื่อเข้าชิงออสการ์อยู่เสมอ

ในปี ค.ศ.1989 วิลเลี่ยมส์ได้ร่วมงานกับผู้กำกับโอลิเวอร์ สโตน (Oliver Stone) เป็นครั้งแรก ทั้งคู่มีผลงานด้วยกัน 3 เรื่อง เรื่องแรกคือ เกิดวันที่สี่กรกฎา (Born on the Fourth of July) หนังเล่าถึงชีวิตของทหารผ่านศึกผู้พิการ นำแสดงโดยทอม ครูซ(Tom Cruise) เรื่องต่อมาในปี ค.ศ.1991 รอยเลือดฝังปฐพี (J.F.K.) นำแสดงโดยเควิน คอสต์เนอร์ (Kevin Costner) ในบทจิม แกร์ริสัน (Jim Garrison) ผู้ที่ทำการสืบและตีแผ่เรื่องการลอบสังหารประธานาธิบดีจอห์น เอฟ. เคนเนดี และผลงานเรื่องสุดท้ายที่ทั้งคู่ร่วมงานกันในเรื่อง นิกสัน ประธานาธิบดีฉาวโลก (Nixon) ในปี ค.ศ.1995 นำแสดงโดยแอนโทนี ฮ็อปกินส์ (Anthony Hopkins) ในบทประธานาธิบดีริชาร์ด นิกสัน ซึ่งทั้งสามเรื่องล้วนมีดนตรีประกอบที่เป็นที่น่าจดจำและได้รับการเสนอชื่อเข้าชิงรางวัลออสการ์

ในปี ค.ศ.1991 วิลเลี่ยมส์ได้ทำดนตรีประกอบให้กับภาพยนตร์ที่กำกับโดยคริส โคลัมบัส (Chris Columbus) เรื่อง โดดเดี่ยวผู้น่ารัก (Home Alone) และภาคต่อในปี ค.ศ.1992 โดดเดี่ยวผู้น่ารัก 2 หลงในนิวยอร์ก (Home Alone 2 Lost in New York) ซึ่งก็เป็นภาพยนตร์ที่ฮิตถล่มทลายมากเช่นกัน

ในปี ค.ศ.1994 วิลเลี่ยมส์ได้ประพันธ์ดนตรีให้กับหนังของสปีลเบิร์กสองเรื่อง คือเรื่อง จูราสสิค พาร์ค กำเนิดใหม่ไดโนเสาร์ (Jurassic Park) ซึ่งเป็นหนังฮิตถล่มรายได้ และเรื่อง ชะตากรรมที่โลกไม่ลืม (Schindler’s List) ที่ทำให้วิลเลี่ยมส์ได้ออสการ์ตัวที่ 5 วิลเลี่ยมส์พูดถึงการประพันธ์ดนตรีให้กับเรื่องนี้ว่า ครั้งแรกที่ได้ชมมัน วิลเลี่ยมส์บอกกับสปีลเบิร์กว่านี่เป็นหนังที่ยิ่งใหญ่ และมันยากเกินไปสำหรับเขาที่จะทำดนตรีให้ และแนะนำสปีลเบิร์กให้หาคนที่เก่งกว่ามาทำดนตรีแทน สปีลเบิร์กจึงบอกกับวิลเลี่ยมส์ว่า “ผมรู้ แต่พวกเขา(คนที่เก่งกว่า)ตายหมดแล้ว” สุดท้ายวิลเลี่ยมส์จึงตอบตกลง และทำให้วิลเลี่ยมส์ได้รับรางวัลออสการ์ตัวที่ 5 ไปครอบครอง

ในปี ค.ศ.1997 วิลเลี่ยมส์ได้กลับมาทำดนตรีให้กับหนังไดโนเสาร์ภาคต่อที่กำกับโดยสปีลเบิร์กใน The Lost World: Jurassic Park ใครว่ามันสูญพันธุ์ และยังมีภาคต่อตามมาอีกคือ Jurassic Park III ซึ่งสปีลเบิร์กไม่ได้กำกับ และวิลเลี่ยมส์ก็ไม่ได้ทำดนตรีประกอบให้ด้วยเช่นกัน แต่กระนั้น วิลเลี่ยมส์ก็ได้แนะนำดอน เดวิส (Don Devis) แก่โปรดิวเซอร์ ว่าเป็นผู้เหมาะสมที่จะทำดนตรีประกอบแทน

ในปี ค.ศ.1999 วิลเลี่ยมส์กลับมาสานต่อผลงานสร้างชื่อของเขากับสตาร์ วอร์ส ในไตรภาคปฐมบทได้แก่ ภัยซ่อนเร้น (Star Wars Episode I: The Phantom Menace), กองทัพโคลนส์จู่โจม(Star Wars Episode II: Attack of the Clones) ในปี ค.ศ.2002 และ ซิธชำระแค้น (Star Wars Episode III: Revenge of the Sith) ในปี ค.ศ.2005 ตัวหนังได้รับคำวิจารณ์ในแง่ลบมากกว่าแง่ดี แต่ดนตรีของวิลเลี่ยมส์นั้นก็ไม่ได้ด้อยไปกว่าไตรภาคดั้งเดิมเลย และยังมีเพลงที่น่าจดจำ เช่น Duel of Fates, Across the Star, Battle of Heroes และวิลเลี่ยมส์ยังได้นำเพลงธีมหลายๆเพลงที่ตนเองเคยแต่ง ในไตรภาคดั้งเดิม มาปรับใช้กับไตรภาคใหม่ได้อย่างเหมาะสม เช่น The Force theme, Imperial March, Emperor Throne Room, Princess Leia's theme เป็นต้น [16][17] [18]

วิลเลี่ยมส์ได้กลับมาร่วมงานกับโคลัมบัสอีกครั้ง ในปี ค.ศ.2001 ในผลงานภาพยนตร์ของ Warner Bros. เรื่องแฮร์รี่ พอตเตอร์ กับศิลาอาถรรพ์ (Harry Potter and the Sorcerer's Stone) ที่ดัดแปลงมาจากนิยายอังกฤษชื่อดังที่ประพันธ์โดย เจ.เค. โรว์ลิง (J.K. Rowling) วิลเลี่ยมส์ทำดนตรีในภาคต่ออีกสองภาค คือ แฮร์รี่ พอตเตอร์ กับห้องแห่งความลับ (Harry Potter and the Chamber of Secrets) ใน ค.ศ.2002 กับ แฮร์รี่ พอตเตอร์ กับนักโทษแห่งอัซคาบัน (Harry Potter and the Prisoner of Azkaban) ใน ค.ศ.2004 ในปี ค.ศ.2005 วิลเลี่ยมส์จำเป็นต้องปฏิเสธที่จะทำดนตรีประกอบให้กับภาคต่อของแฮร์รี่ พอตเตอร์ เนื่องจากวิลเลี่ยมส์ กำลังทำดนตรีประกอบให้กับหนังเรื่องอื่นอยู่ ซึ่งในปีนั้นเอง วิลเลี่ยมส์มีงานทำดนตรีให้กับภาพยนตร์ถึง 4 เรื่อง (ขณะนั้นวิลเลี่ยมส์อายุ 73 ปี) ตั้งแต่ภาพยนตร์แฮร์รี่ พอตเตอร์ภาคที่ 4 แฮร์รี่ พอตเตอร์ กับถ้วยอัคนี (Harry Potter and the Goblet of Fire) เป็นต้นมา จนถึงภาคสุดท้ายในปี ค.ศ.2011 วิลเลี่ยมส์ก็ไม่ได้กลับมาทำดนตรีประกอบให้อีกเลย แต่เพลง Hedwig's theme ที่วิลเลี่ยมส์ประพันธ์ขึ้น ก็ได้ถูกใช้เป็นเพลงธีมหลักในทุกภาคของแฮร์รี่ พอตเตอร์

ในปี ค.ศ.2005 เมื่อวิลเลี่ยมส์ทราบว่าจะมีการนำนิยายเรื่อง Memoirs of Geisha มาสร้างเป็นภาพยนตร์ วิลเลี่ยมส์ได้แสดงความประสงค์ที่จะทำดนตรีประกอบให้กับภาพยนตร์เรื่องนี้ วิลเลี่ยมส์กล่าวว่า ในชีวิตการทำงานของเขานั้น ไม่เคยที่จะร้องของาน ยกเว้นเรื่องนี้ ที่วิลเลี่ยมส์อยากทำจริงๆ ซึ่งผู้กำกับของเรื่อง ร็อบ มาร์แชล (Rob Marshall) ก็ตอบตกลง เพราะวิลเลี่ยมส์มาทำดนตรีประกอบให้กับเรื่องนี้ จึงทำต้องสละโอกาสในการทำดนตรีให้กับภาคต่อของแฮร์รี่ พอตเตอร์ ซึ่งเนื้อหานั้นเป็นเรื่องราวชีวิตของเกอิชาคนหนึ่ง วิลเลี่ยมส์ได้ใช้ดนตรีออร์เคสตร้า ผสมผสานกับดนตรีสไตล์ญี่ปุ่นในการทำดนตรีประกอบให้กับเรื่องนี้ และตัวดนตรีประกอบเองก็ได้รับการเสนอชื่อเข้าชิงทั้งรางวัลออสการ์ และลูกโลกทองคำ ซึ่งก็สามารถคว้ารางวัลลูกโลกทองคำมาได้

ในปี ค.ศ.2008 วิลเลี่ยมส์กลับมาทำดนตรีประกอบให้กับภาพยนตร์อินเดียน่า โจนส์อีกครั้ง ใน ขุมทรัพย์สุดขอบฟ้า 4: อาณาจักรกะโหลกแก้ว (Indiana Jones and the Kingdom of the Crystal Skull) ซึ่งภาคนี้เว้นห่างจากภาคก่อนหน้า นานถึง 19 ปี และเป็นภาพยนตร์อินเดียน่า โจนส์เรื่องเดียวในสี่เรื่องที่ไม่ได้รับการเสนอชื่อเข้าชิงรางวัลออสการ์สาขาดนตรีประกอบยอดเยี่ยม

ใน ค.ศ.2011 วิลเลี่ยมส์มีผลงานสองเรื่อง ซึ่งล้วนกำกับโดยสปีลเบิร์ก คือเรื่อง การผจญภัยของตินติน (The Adventures of Tintin) ที่ถือว่าเป็นการทำดนตรีประกอบภาพยนตร์แอนิเมชันเรื่องแรกของวิลเลี่ยมส์ และ ม้าศึกจารึกโลก (War Horse) ซึ่งทั้งสองเรื่องนี้ วิลเลี่ยมส์ยังทำดนตรีได้ดีฝีมือไม่ตก เป็นที่ยอมรับต่อนักวิจารณ์[19][20][21][22][23][24] ทั้งสองเรื่องต่างเข้าชิงรางวัลออสการ์สาขาดนตรีประกอบยอดเยี่ยม [25] เป็นครั้งที่ 46 และ 47 ของวิลเลี่ยมส์ ทำให้เขากลายเป็นนักประพันธ์ดนตรีประกอบภาพยนตร์ที่ได้เข้าชิงออสการ์สาขาดนตรีประกอบมากที่สุด นำหน้าอัลเฟรด นิวแมน (Alfred Newman) ที่เคยทำไว้ได้ 45 ครั้ง [26] และในปี ค.ศ.2012 ในหนังเรื่องต่อมาของสปีลเบิร์ก ลินคอล์น (Lincoln) หนังเกี่ยวกับประธานาธิบดีลินคอล์นที่เล่าถึงช่วงสุดท้ายของชีวิตท่านในการผลักดันกฎหมายเลิกทาส ดนตรีประกอบอันนุ่มนวลและทรงพลังของวิลเลี่ยมส์ ส่งให้เขาเข้าชิงรางวัลออสการ์อีกครั้ง [27] และอีกครั้ง ในปี ค.ศ.2013 กับภาพยนตร์ที่สร้างจากนิยายเยาวชนขายดีเรื่อง จอมโจรหนังสือ (The Book Thief) กำกับโดยไบรอัน เพอร์ซิวาล (Brian Percival) ซึ่งถือเป็นภาพยนตร์เรื่องแรกในรอบ 8 ปีที่วิลเลี่ยมส์ทำดนตรีประกอบให้กับผู้กำกับคนอื่นที่ไม่ใช่สปีลเบิร์ก นับตั้งแต่ปี ค.ศ.2005 และเป็นผลงานที่ทำให้วิลเลี่ยมส์ได้ถูกเสนอชื่อเข้าชิงรางวัลออสการ์เป็นครั้งที่ 49 [14] และได้ถูกเสนอชื่อเข้าชิงรางวัลลูกโลกทองคำเป็นครั้งที่ 25

ในปี ค.ศ.2015 วิลเลี่ยมส์กลับมาประพันธ์ดนตรีประกอบให้กับสตาร์ วอร์สอีกครั้ง กับภาคที่ 7 ใน สตาร์ วอร์ส: อุบัติการณ์แห่งพลัง (Star Wars The Force Awakens) กำกับภาพยนตร์โดย เจ. เจ. แอบรัมส์ (J.J. Abrams) ซึ่งตัวหนังเองก็กวาดรายได้ถล่มทลายไม่แพ้ภาคก่อนๆ และส่งให้วิลเลี่ยมส์ได้เข้าชิงรางวัลออสการ์สาขาดนตรีประกอบยอดเยี่ยมเป็นครั้งที่ 50[28][29] สำหรับภาคต่อสตาร์วอร์สเรื่องนี้ ได้บันทึกดนตรีประกอบกันที่ลอสแอนเจลิสกับนักดนตรีที่นั่น ซึ่งโดยปรกติแล้วหนังสตาร์วอร์สทุกภาค จะอัดเสียงดนตรีประกอบที่ลอนดอน กับวงลอนดอน ซิมโฟนี ออร์เคสตร้า (London Symphony Orchestra) วิลเลี่ยมส์ให้เหตุผลว่า เป็นเพราะกระบวนการทำงานของเจ.เจ. แอบรัมส์นั้น แตกต่างจากกระบวนการทำงานของจอร์จ ลูคัส จึงไม่ได้อัดดนตรีประกอบที่ลอนดอน อันเป็นสถานที่ถ่ายทำสตาร์วอร์สทุกๆภาคที่ผ่านมา และในปีนี้เองที่ วิลเลี่ยมส์ไม่ได้ทำดนตรีประกอบให้กับภาพยนตร์ของสปีลเบิร์กเป็นเรื่องที่ 3 ในเรื่อง Bridge of Spies หนังเหตุการณ์ยุคสงครามเย็น นำแสดงโดยทอม แฮงค์ส ซึ่งทางดรีมเวิร์คส (Dreamworks Pictures) ได้ประกาศออกมาว่าวิลเลี่ยมส์มีปัญหาด้านสุขภาพ จึงไม่ได้มาทำดนตรีประกอบให้กับหนังของสปีลเบิร์กเรื่องนี้ ผู้ที่มารับหน้าที่แทนคือโธมัส นิวแมน (Thomas Newman) [30] จากผลงานนี้ ทำให้นิวแมนได้ถูกเสนอชื่อเข้าชิงรางวัลออสการ์สาขาดนตรีประกอบยอดเยี่ยม

วิลเลี่ยมส์กลับมาร่วมงานกับสปีลเบิร์กอีกครั้งในปี ค.ศ.2016 กับภาพยนตร์ที่ดัดแปลงจากนิยายของโรอัลด์ ดาห์ล (Roald Dahl) เรื่อง The BFG

ในปี ค.ศ.2016 หนังภาคแยกของจักรวาลสตาร์วอร์ส Rogue One: A Star Wars Story ได้ออกฉาย โดยนับเป็นหนังใหญ่สตาร์วอร์สเรื่องแรกที่วิลเลี่ยมส์ไม่ได้ทำดนตรีประกอบ ในตอนแรกผู้ที่ถูกวางตัวให้มารับหน้าที่ทำดนตรีแระกอบคือ Alexandre Desplat ผู้ซึ่งเคยร่วมงานกับผู้กำกับ Gareth Edwards มาก่อน แต่ต่อมา Desplat ได้ถอนตัวออกไป เนื่องจากมีการถ่ายซ่อมทำให้การถ่ายทำล่าช้าไม่เสร็จตามกำหนด จึงทำให้ Desplat ไม่ว่าง ผู้ที่มารับหน้าที่แทนคือ Michael Giacchino โดยเขามีเวลาทำดนตรีประกอบให้เสร็จภายใน 1 เดือนเท่านั้น แต่เขาก็สามารถทำสำเร็จจนได้ วิลเลี่ยมส์จะประพันธ์ดนตรีประกอบให้กับสตาร์วอร์สอีกสองภาคใน Star Wars: The Last Jedi และเอพพิโซด IX ที่จะมาในอนาคต