De son vrai nom Armando Catalano, le jeune Guy Williams reste peu de temps à l'école. Doué pour les mathématiques, il apprend très vite l'escrime par l'intermédiaire de son père. Décidé à chercher du travail, il débute une carrière de mannequin : Guido Catalano devient pour l'occasion Guy Williams et pose dans plusieurs journaux.
Dès 1952, Guy Williams commence véritablement à faire carrière au cinéma : avec un contrat chez Universal il enchaine les petits rôles (notamment dans le film La Charge des tuniques bleues d'Anthony Mann) puis passe le casting pour le rôle de Zorro, série sur ABC co-produit par Walt Disney en personne. Pendant un temps, Michael London (Charles Ingalls dans "La Petite Maison dans la Prairie" ) est préféré. Mais, ayant obtenu les faveurs du réalisateur Norman Foster et ses qualités d'escrimeurs étant reconnues, il est engagé. La série dure deux saisons, de 1957 à 1959, et Guy Williams devient une vedette dès l'âge de 33 ans. Des désaccords entre la chaîne et Disney provoquent l'arrêt brutal du show.
Guy Williams enchaîne en 1964 avec "Bonanza", classique du western télévisé, puis abandonne la série pour tourner quelques films en Europe (dont un Capitaine Sinbad inédit en France). En 1965, Guy trouve à nouveau un rôle important dans une série culte créée par Irwin Allen : "Perdus dans l'espace". Dans cette série, Williams joue le Professeur John Robinson, patriarche de la famille Robinson envoyée dans l'espace à la recherhce d'une autre terre d'accueil. La série s'achève après 4 saisons.
Par la suite Guy Williams se consacre à des causes humaintaires et abandonne le métier d'acteur. Il décède d'une rupture d'anévrisme en 1989 et demeure, pour beaucoup d'admirateurs, l'incarnation éternelle du justicier Zorro.