Die Eltern von Williams trennten sich, als er drei Jahre alt war. Er wuchs mit seiner sieben Jahre älteren Schwester Sally bei seiner Mutter Jeanette in Tunstall, einem Vorort von Stoke-on-Trent bei Manchester auf. Während Williams in der Schule eher schlechte Leistungen erbrachte und den Lehrern vorrangig als Klassenclown in Erinnerung geblieben ist, fiel er bei Schultheater-Aufführungen positiv auf.
Sein Showtalent erbte Williams laut eigener Aussage von seinem Vater Peter, der als Alleinunterhalter und zeitweise als Zauberkünstler arbeitete. Dieses Talent konnte Robbie Williams auch unter Beweis stellen, wenn er in der Kneipe seiner Mutter „The Red Lion“ die Gäste mit Playback-Showeinlagen zu alten Swingklassikern unterhielt. Nachdem er in den Abschlussprüfungen durchgefallen war, versuchte Williams sich in verschiedenen Jobs. Er absolvierte unter anderem ein Kurzpraktikum bei BBC Radio Stoke und arbeitete kurzzeitig als Fensterrahmenverkäufer.