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Il a composé une série de grands succès internationaux durant les années 1960 et 1970, interprétés par The Carpenters, The Monkees, Barbra Streisand, David Bowie (la chanson Fill Your Heart sur l'album Hunky Dory) ainsi que de nombreux autres artistes. Il a composé des bandes originales de films pour le cinéma et la télévision, parmi lesquelles Phantom of the Paradise de Brian De Palma (1974) qui lui vaudra une nomination aux Oscar, film dans lequel il incarne l'un des rôles principaux. Brian de Palma le juge très doué pour composer de la « pop commerciale » tout en étant capable de composer dans des genres musicaux différents[1]. Il est également l'auteur de la musique du film Bugsy Malone, réalisé par Alan Parker (1976).
Nommé six fois aux Oscar, il n'en reçoit qu'un, en 1977 : celui de la meilleure chanson originale pour Evergreen, chanson-titre du film Une étoile est née. Il partage ce prix avec Barbra Streisand.
D'une école et d'un style typiquement issus de la variété country et folk, Paul Williams a su enrichir ses thèmes musicaux sur des rythmes et arrangements plus contemporains et plus pop. Ses paroles exploitent à la fois une structure classique mais avec une dose d'images poétiques.
Parmi les nombreuses chansons qu'il a interprétées lui-même, certains titres ont été classés parmi les meilleurs succès américains et internationaux. Il a également collaboré à l'écriture d'un livret (« Wings ») avec le compositeur français Michel Colombier.
Au cinéma, il campe le personnage de Virgil, l'un des vieux sages orangs-outans dans le film La Bataille de la planète des singes. Il incarne également Swan dans Phantom of the Paradise de Brian De Palma, dont il compose aussi la musique. De Palma lui propose le rôle, d'une part parce qu'il s'agit selon lui d'un excellent comédien, et d'autre part car il estime que son allure physique, « très petit, très étrange mais très intéressant » et son « humour noir » correspondent au personnage[1], le méchant du film.
En 2012, il travaille avec le groupe Daft Punk sur deux morceaux (Touch - paroles et chant - et Beyond - paroles) de l'album Random Access Memories, paru le en France et le lendemain aux États-Unis.