Jeho první filmová role přišla ve snímku Kathryn Bigelowové Nemilovaná (1982). Od té doby účinkoval ve více než 100 filmech - v Hollywoodu (Anglický pacient, Hořící Mississippi, Spider-Man) i v nezávislých amerických produkcích (Americké psycho, Hvězdy nám nepřály, John Wick).
Pracoval také v zahraničních produkcích, točil s Theo Angelopoulosem, Wimem Wendersem či Antonem Corbijnem. Na kontě má i mezinárodní divácký hit Prázdniny pana Beana.
Willem Dafoe si vybírá filmové projekty založené na různorodosti rolí a umožňující pracovat se silnými režisérskými osobnostmi. Natáčel s Wesem Andersonem (Život pod vodou, Grandhotel Budapešť, Fantastický pan Lišák), Martinem Scorsesem (Letec, Poslední pokušení Krista), Spikem Leem (Spojenec), Julianem Schnabelem (Miral, Basquiat). Pracoval také s Paulem Schraderem, Davidem Cronenbergem, Abelem Ferrarou, Davidem Lynchem, Williamem Friedkinem, Wernerem Herzogem, Oliverem Stonem či Larsem von Trierem. MFF Karlovy Vary uvede jako poctu Dafoeovi 2. července před půlnocí ve Velkém sále Thermalu snímek Abela Ferrary Pasolini a o den později od 23:00 v Letním kině Scorseseho drama Poslední pokušení Krista.