Geboren als Robert Peter Williams, wuchs der Sänger im englischen Burslem auf. Seine Eltern Janette und Peter Williams, die zunächst gemeinsam einen Pub betrieben, trennten sich, als dieser drei Jahre alt gewesen ist – fortan lebte Williams mit seiner Halbschwester und seiner Mutter. Seine Affinität für die Bühne entwickelte sich bereits in seiner Kindheit. So schaute der heranwachsende Star seinem Vater, der u. a. als Varietékünstler auftrat, regelmäßig bei der Arbeit zu, bevor er selbst begann, erste Erfahrungen zu sammeln. In seiner frühen Jugend nahm Williams an verschiedenen Talentwettbewerben und Theateraufführungen teil, wo er u. a. als Artful Dodger in einer Oliver-Twist-Adaption zu sehen war. Im Jahr 1989 nahm der damals 15-jährige Robbie Williams an einem Casting für eine neue Boygroup teil, die sich wenig später als Take That formieren sollte. Mit weit über 20 Millionen verkauften Tonträgern und über 40 Platinauszeichnungen war diese bis zu ihrer Auflösung im Jahr 1996 die erfolgreichste Boygroup der 1990er Jahre. Als Trennungsgrund galt der Ausstieg von Robbie Williams, der von Anbeginn als temperamentvollstes Mitglied galt und sich nur schwer den strikten Regeln des Managements unterordnen konnte – erst 15 Jahre später erfolgte im Jahr 2010 eine Wiedervereinigung der Gruppe. Der Sänger, der nun auf sich allein gestellt war, fiel zunächst durch Drogen- und Alkoholexzesse auf, die von der britischen Regenbogenpresse aufmerksam dokumentiert wurden. Parallel dazu lernte dieser den Songwriter und Produzenten Guy Chambers kennen, mit welchem er gemeinsam an seinem Debüt „Life thru a Lens“ werkelte, das im September 1997 erschien. Das Album, das zunächst lediglich Platz der 11 britischen Charts erreichte und nur 30.000 Einheiten absetzen konnte, kletterte erst nach 27 Wochen an die Spitze der Charts. Zurückzuführen ist dies auf den enormen Erfolg der zweiten Single „Angels“, die Robbie Williams zum endgültigen Durchbruch als Solokünstler verhalf und sich über 1 Millionen Mal verkaufte. In den folgenden Jahren veröffentlichte der Musiker weitere Alben, die sich hinsichtlich des Erfolges stets übertreffen konnten. Das mit 7 Milionen Exemplaren nach wie vor meistverkaufte Werk von Williams erschien im Jahr 2002 mit „Escapology“ – auch die Single „Feel“ wurde international zu einem Hit. Im Jahr zuvor veröffentlichte Robbie Williams erstmals ein Album, das musikalisch einen Bruch beinhaltete. „Swing When You‘re Winning“, das sich musikalisch an seine Vorbilder Frank Sinatra, Samy Davis Junior sowie Dean Martin orientierte und diverse Coverversionen von Klassikern des Swings beinhaltete, erreichte ebenfalls die Spitze der Charts und überzeugte vor allem die Kritiker. Im Jahr 2013 setzte Williams jenes Projekt nach über zehn Jahren mit „Swing both ways“ fort, das nach jahrelanger Trennung auch erstmals wieder aus einer Zusammenarbeit mit seinem einstigen Partner Guy Chambers entstand. Ende 2014 erschien das nunmehr elfte Album des Musikers „Under the Radar Volume 1“, welches größtenteils aus älteren B-Seiten und unveröffentlichten Songs besteht.

Obwohl Robbie Williams der oftmals angestrebte Durchbruch auf dem US-amerikanischen Markt nie gelang, gilt er mit über 70 Millionen verkauften Tonträgern weltweit als einer der erfolgreichsten Musiker – er hält derzeit einen Weltrekord für 1, 6 Millionen verkaufte Eintrittskarten an einem Tag für seine Welt-Tournee im Jahr 2006.

Seit August 2010 ist Robbie Williams mit der türkisch-US-amerikanischen Schauspielerin Ayda Field verheiratet, die zwei Jahre später ihre gemeinsame Tochter zur Welt brachte. Im Oktober 2014 wurde er Vater eines Jungen. Er lebt mit seiner Familie in Kalifornien und London.