Né en 1951 à Rowayton dans le Connecticut, Treat Williams est un artiste complet : il a appris dès son plus jeune âge à jouer la comédie, mais aussi à chanter et à danser. C'est donc tout naturellement que l'acteur se dirige vers une carrière théâtrale, notamment dans des comédies musicales. Il rejoint la troupe de Grease où il est la doublure du rôle principal, Danny Zuco (joué par John Travolta), quand il saisit l'occasion de faire ses débuts au cinéma dans Deadly Hero en 1976, dans un petit rôle de policier. Il revient ensuite à Broadway pour Grease, où il tient cette fois-ci le rôle principal.
L'expérience dramatique acquise sur les planches l'amène à participer au casting du film musical Hair de Milos Forman en 1979. Treize auditions plus tard, l'acteur se voit confier le rôle de Berger, le leader de la communauté hippie. Le film est un gros succès et permet à Treat Williams de se faire connaître, aussi bien aux yeux du public que de la profession (en 1980, il est nommé aux Golden Globes), et lui donne l'occasion de travailler avec Steven Spielberg pour 1941.
La consécration artistique de l'acteur vient en 1981 grâce à Sidney Lumet sur le tournage du Prince de New York. En effet, Treat Williams est unanimement salué par la critique pour sa composition de flic désenchanté par son métier. Toutefois, l'acteur se tourne de plus en plus vers la télévision, préférant enchaîner les simples participations au cinéma, comme dans Il etait une fois en Amerique de Sergio Leone en 1984, Dernières Heures a Denver avec Andy Garcia en 1995, ou Le Fantôme du Bengale avec Billy Zane en 1996.
Ce n'est qu'à la fin des années 90 que Treat Williams retourne sur le devant de la scène, tout d'abord dans un second rôle avec Ennemis rapprochés, en haut de l'affiche dans Un cri dans l'ocean de Stephen Sommers en 1998 puis dans Aussi profond que l'océan aux côtés de Michelle Pfeiffer en 1999. Ce retour lui ouvre les portes du casting du film de Woody Allen, Hollywood ending, en 2002. Après la comédie Miss FBI : divinement armée (2005), l'acteur enchaîne les séries télévisées. On le voit ainsi pendant 4 ans figurer au générique d’Everwood en médecin qui tire un trait sur son ancienne vie et tente d’élever au mieux ses enfants après le décès de sa femme. Il apparaît ensuite en 2006 dans 4 épisodes de Brothers & Sisters, où l’on retrouve une de ses partenaires d’Everwood, Emily VanCamp. A croire que son rôle dans cette série lui colle à la peau, il joue à nouveau un médecin dans la série Heartland (2007) qui ne passe pas le cap de la 2e saison. Après une incursion au cinéma dans Jackpot, aux côtés de Cameron Diaz et Ashton Kutcher, il revient à la télévision dans de nombreux téléfilms tels Cadeau d'adieu, Safe harbor ou encore La Tempête du siècle. 2010 marque son retour au cinéma avec 127 heures de Danny Boyle, dans lequel il interprète le père de James Franco, acteur qu'il retrouve la même année dans Howl, biopic du poète Allen Ginsberg.